离心式压缩机的设计说明
毕业论文
离心式压缩机的设计
姓名
院（系）机电工程学院
专业班级机械设计制造及其自动化081
学号
指导教师
职称
论文答辩日期 2012年5月20日
仲恺农业工程学院教务处制
学生承诺书
本毕业设计是在老师的指导下独立完成，没有抄袭别人的结果。毕业设计所采用的数据及原理除小部分是通过查找相关文献资料得到，其余数据都是来自计算，绝对没有捏造成分。本人郑重承诺：本人愿对文章负全部责任！
本人签名：二零一二年五月十日
摘要 (3)
1 前言 (5)
1.1 离心式压缩机技术现状和发展趋势 (5)
1.2 离心式压缩机发展方向 (6)
2. 离心压缩机气动参数计算 (8)
2.1 原始数据 (8)
2.2 进气道参数 (9)
2.3 压缩机叶轮参数 (10)
2.4 无叶扩压器段参数 (15)
2.5 叶片扩压器参数 (17)
2.6 蜗壳参数 (19)
2.7 压缩机参数校核 (20)
2.8 轴的强度校核 (21)
2.9 轴承和键的选择 (21)
2.10 轴承盖的参数计算 (21)
3 结论 (22)
参考文献 (23)
致谢 (24)
摘要
离心式压缩机的用途很广。例如氨化肥生产中的氮、氢气体的离心压缩机，空
气分离工程、炼油和石化工业中普遍使用的各种压缩机，天然气输送和制冷等场合的各种压缩机。在动力工程中，离心式压缩机主要用于小功率的燃气轮机、内燃机增压以及动力风源等。
本课题研究的内容是设计一台离心式压缩机。叶轮和扩压器是离心式压缩机的关键部件，叶轮设计制造的好坏及其与扩压器的匹配将对压缩机的性能产生决定性的影响。
关键词：进气道叶轮扩压器
英文摘要
The Design of Centrifugal Compressor
Abstract:Centrifugal compressor is very versatile. A variety of occasions such as nitrogen, hydrogen, ammonia fertilizer production in the centrifugal compressor, air separation engineering, commonly used in the refining and petrochemical industries, compressors, natural gas transportation and refrigeration compressors. In power engineering, the centrifugal compressor is mainly used for low-power gas turbines, internal combustion engine supercharged and dynamic wind source.
The content of this research is the design of a centrifugal compressor. Impeller and diffuser is a key component of the centrifugal compressor impeller design and manufacture of the good or bad a decisive impact on the match will be the compressor diffuser performance.
Key words:Inlet;Impeller;Diffuser
1 前言
1.1 离心式压缩机技术现状和发展趋势
离心式空气压缩机属于速度式压缩机，在用气负荷稳定时离心式空气压缩机工作稳定、可靠。优点是
①结构紧凑、重量轻，排气量范围大；
②易损件少，运转可靠、寿命长；
③排气不受润滑油污染，供气品质高；
④大排量时效率高、且有利于节能。
目前离心式压缩机发展趋势是：容量不断增大，以满足石化生产规模不断扩大的要求随着新技术的发展，新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器的出现，不断开发高压压缩机和小流量压缩机产品进一步研究三元流动理论，不仅应用到叶轮设计，还发展到
叶片扩压器静止元件设计中，以期达到最高的机组效率低噪声化，采用噪声防护以改善操作环境。国内可以生产石化用离心压缩机的制造企业主要有沈阳鼓风机厂、上海鼓风机厂、陕西鼓风机厂等。他们引进国外技术，经过消化吸收，可以生产石化用大型离心压缩机。沈阳鼓风机厂从意大利新比隆公司引进了MCL、BCL、PCL三个离心压缩机系列的全套设计制造专利技术从日本日立公司引进了DH型离心压缩机、HS型工业冷冻机设计制造专利技术，从美国费城齿轮公司引进了MHS、HS、HSS、HSD四个系列的高速齿轮变速器的设计制造专利技术从德国德马格公司引进了VK8型组装式离心压缩机设计制造专利技术和从日本川崎重工株式会社引进了GM型污水处理鼓风机技术。沈阳鼓风机厂生产的离心压缩机在国内石化企业已经应用200多台，市场占有率已达80以上。沈鼓厂生产的300万t/a催化裂化装置富气压缩机进口流量达到81 600Nm 3 /h，功率达到7 166kW离心式循环氢压缩机流量达到250 000Nm 3 /h，功率达到1 600kW，出口压力达到18MPa，已经应用于120万t/a加氢裂化装置沈鼓厂自行设计、制造的裂解气压缩机流量达到120 000Nm 3 /h，功率达到18 000kW同国外合作设计、制造的丙烯压缩机流量达到58 000Nm 3 /h，功率达到7 500kW乙烯压缩机流量达到74 000Nm 3 /h，功率达到5 500kW，已经应用到30～50万t/a乙烯裂解装置。沈鼓厂自行设计和制造的大化肥装置的空气压缩机、天然气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机已应用于20～30万t/a化肥装置沈鼓设计制造的空气压缩机流量达到220 000Nm 3 /h，功率达到17 580kW，已经应用于40 000Nm 3空分装置[1]。
目前国内离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品方面还不能满足国内需要。另外在技术水平、质量、成套性上和国外还有差距。随着石化生产规模不断扩大，离心压缩机大型化方面面临新的课题。100万t/a乙烯三机中的裂解气压缩机，进口流量达到403 000kg/h，出口压力达到3.89MPa，轴功率达到45770kW。45万t/aPTA装置原料空气压缩机带尾气透平进口流量162 413Nm 3 /h，进出口压力0.1/1.46MPa，轴功率22 000kW,国内在设计制造这些大型气体压缩机上还没有成熟的经验。
因此，对离心式压缩机的设计理论进行深入、系统的研究非常有必要，从而设计出符合实际工作要求的离心式压缩机。
1.2 离心式压缩机发展方向
大型离心压缩机组属技术密集型、高难度产品，必须拥有先进的专业设计制造技术。由于化工和石油化工装置不断向大型化发展，用户对压缩机组的能耗、可靠性、配套水平等技术指标的要求也越来越高。
在二氧化碳压缩机方面，过去出现了一些压缩机性能与工艺条件不匹配的事故。现在西安交大、沈阳鼓风机厂都有自己的二氧化碳闭式试验台，问题已得到解决。因此，对大型化肥和石油化工压缩机的改进已基本上集中在压缩机性能本身的改进上。目前，世界上先进的压缩机制造厂家都在致力于这方面的研究。如在压缩机的气动性能设计上使用的程序，能够适用于几百个大气压，在近临界区域条件下适用于几十种复杂气体，大大提高了计算精度；在转子稳定性研究上，已经研制出超二阶、三阶的高柔性转子，并已成功使用；还在部件成套技术上有了很大发展，如在密封、轴承、调节系统、辅机配套水平等方面。因此，如何跟踪世界上先进的压缩机设计制造技术是当务之急。
大型离心压缩机组的改进，需要加强以下方面研究。
1．三维工程设计CAD开发。采用三维工程设计可以优化设计机组布置，使机组布置美观，且具有自动进行干涉检查的功能，避免设计缺陷。能够自动进行结构分析，提高设计精度和设计效率。CAD的主要开发内容有：建立三维实体造型设计模型，建立三维实体设备图库、数据库等。
2．转子--轴承系统动力特性设计专家系统的开发。在设计过程中，当转子--轴承系统动力特性不能满足设计规范的要求，或已经制造出来的机组出现振动过大、运行不稳定等情况时，就必须修改原机组的结构参数、物性参数值。但是影响转子--轴承系统动力特性的结构参数有很多，修改哪一个或几个结构参数最有效，能立竿见影地解决设计和机组稳定运行问题，是建立该专家系统软件的目标。主要研究内容有：各种转子结构、轴承结构参数对转子--轴承系统动力特性的影响、建立智能型专家系统设计计算软件包等。
3．智能型计算机控制系统开发。目前世界上已广泛采用了微机控制的三重冗余、容错控制器、多功能防喘振、性能调节、安全保护综合控制系统，使离心压缩机控制由传统的模拟仪表控制变为多功能的专家控制系统。主要研究内容有：研制大化肥装置用离心压缩机组专用的、具有防喘振、性能调节、安全保护的数字式微机综合控制系统[2]。
2. 离心压缩机气动参数计算
2.1 原始数据
1) 空气流量m: 2.5kg/s
2) 压强比ε: 2.4
3) 环境压强p 0: 1.013?105Pa 4) 环境温度T 0: 293K
5) 环境密度()0000/RT p =ρρ: 1.205kg/m 3 6) 空气气体常数R: 287J/(kg.K) 7) 空气绝热指数k: 1.4 8)
2.2 进气道参数
吸气室是为了把气体从进气管或中间冷却器引到工作叶轮中去。设计时应尽量减少气体的流动损失，避免出现气流局部降速和分离。吸气室的出口气流要均匀，不产生切向的旋绕，以保证叶轮进口有均匀的速度场与压力场。除了上述气动要求外，还要注意到加工制造的方便。
吸气室的形式较多，常见的有：轴向进气的吸气管、径向进气的进气管、双支承轴承所采用的径向吸气室、水平进气所采用的进气室。
本设计采用的是轴向进气的吸气管，如图1，这种进气管形状最简单，一般用于单机悬臂式鼓风机或增压器中。进气管可做成收敛状，以使气体能均匀进入后面的叶轮。这种进气管形状简单，气流均匀，损失较小，故比其它形式的具有较好的性能。
图1
9) 叶轮对气体所做的绝热压缩功l ad
l ad =???
? ??---11k 10k k RT k ε=83739J/kg 10) 叶轮出口的圆周速度2
u
2u =
=th
ad
l ψ346m/s(取th ψ=0.70)
11) 取进气道出口的速度C 1(=50~150m/s) 取 C 1=100m/s 12) 进气道内空气降温1T ?
1T ?=1
-k 2kR C
2
1=4.98K
13) 进气道出口温度T 1
T 1
=T 0-1
T ?=288.02K
14) 进气道多变指数n 1(=1.37~1.39)
n 1
=1.37
15) 进气道出口空气压强
p 1
p 1
=1
01
011p -???
?
??n n T
T =0.95?105
P a
16) 进气道出口空气密度1
ρ
1
1
1p RT =
ρ=1.15kg/m 3 17) 进气道出口面积
f 1
f
1
11m ρC =
=217cm 2
2.3 压缩机叶轮参数
压气机叶轮一般分为两部分：前一部分为导风轮，后一部分叫工作轮。这是由于压气机叶片前缘部分弯曲较大，形状复杂。大型的压气机为了便于制造把前后二部分分开制造，而形成两个轮子。尤其实对于径向直叶片的工作轮（如图2），前面设导风轮是必要的。因为叶轮进口处从轮毂到轮缘的半径是变化的，圆周速度也就是变化的，那么进口气流角1β是变化的。全进口叶片角为A 1β，那么
式中为冲角，那么叶轮进口叶片角也是变化的。
图2 径向直叶片式的叶轮
导风轮也是一个扩张性流道，出口速度大于进口速度，故气体静压有所提高。 叶数的结构形式分为以下几种：
（1） 闭式叶轮，由于轮盘、叶片、轮盖三部分组成，由于轮盖的强度不够，使叶轮的转速受到限制，一般闭式叶轮的周围速度在320m/s 以下。
（2） 半开式叶轮，这种叶轮强度和刚度均好，可达到450～540m/s 圆周速度，用于高压比，高转速压气机中，在内燃机的透平增压器和小功率燃气轮机中得到广泛应用。
（3） 此外还有双进气叶轮，全开式叶轮。 本设计采用半开式叶轮。 18) 取叶轮外径
D 2
D 2
=290mm
19) 转速n
n=
2
2
u 60D π=22798r/min
20) 取叶轮进出口直径比D
()
7.0~5.0D /21
=
取
2
/1D D =0.7
21) 导风轮进口外径1
D
1
D =()=21
2
D /D
D 203mm
22) 导风轮进口内径10
D 10
D =
π/f 4D 121-=116mm （取110mm ）
23) 导风轮进口平均直径m
1D
()2
/D 2102
1
m 1D D
+=
=163mm
24) 导风轮进口外径处的圆周速度1
u
22
1
1u D D u =
=242m/s 25) 导风轮进口m 1D 处的圆周速度m
1u
22
11u u D D m
m =
=194m/s 26) 导风轮进口10D 处的圆周速度10
u
22
10
10u D D u =
=131m/s
27) 导风轮叶片
c Z =17~37
取
c
Z =20
28) 取导风轮进口的阻塞系数
1
τ=0.85~0.95
取
1τ=0.90
29) 导风轮进口轴向速度
==11a 1/C τC 111m/s
30) 导风轮进口相对速度
=+=2
12a 11C W u 266m/s
31) 导风轮进口马赫数
==
1
11w M kRT W 0.782
（0.782<0.9满足条件，如果1w M >0.9则需要重新调整参数、重新计算） 32) 导风轮进口1D 处的气流角1β
111/tan arc u C a =β=?64.24
33) 导风轮进口m 1D 处的气流角m 1β
?==78.29/arctan 111m a m u C β
34) 导风轮进口10D 处的气流角10β
?==27.40/tan arc 10110u C a β
35) 取冲角i
i=??8~2
36) 导风轮进口m 1D 处的叶片角A 1β
i +=m 1A 1ββ=?78.31
37) 取工作轮叶片数
20=='c c
Z Z 38) 滑移系数
830.0D D 113211
2
2
1=???
? ??-'+
=
'c
Z πε
39) 工作轮出口气流圆周向分速u 2C
='=2u 2C u ε287m/s
40) 工作轮出口气流径向分速r 2C
取 ==a r C C 12111m/s 41) 工作轮出口气流速度
=+=2
2222C r u C C 308m/s
42) 工作轮出口气流角
=???
?
??=u r
C C 222tan arc α?14.21 43) 取工作轮出口叶片角
?=90A 2β（径向直叶片）
44) 取工作轮出口叶片厚度
=2δ 1.6mm
45) 工作轮出口阻塞系数
='-
=A
22c
22sin D Z 1βπδτ0.965
46) 取工作轮出口气流密度2
ρ' 取 2
ρ'=1.68kg/m 3 47) 叶轮出口宽度
='=
22
222b τρπr C D m
15.3mm
48) 取轮阻损失系数
07.0~025.0=α
取 07.0=α 49) 叶轮出口气温
kR k u T 1
22T 22212-?????????? ?
?'-+'+=εαε=350K
50) 取叶轮多变效率
()
921.0~805.0pol =i
η
取 ()i pol η=0.83
51) 多变指数项
()91.21
1n 22=-=
-i pol k k
n η 52) 多变指数
=---=11
1n 22
22n n n η 1.52
53) 叶轮出口气体压强2p
=?
??
?
??=-1
121222n n T T p p 1.68a P 510?
54) 叶轮出口气体密度
2
2
2p RT =
ρ=1.67kg/m 3 55) 气体密度误差
2
22
2ρρρρ'-'=
?=0.60%<2%
56) 叶轮出口马赫数
==
2
22c M kRT C 0.82 2c M <1认可
2.4 无叶扩压器段参数
57) 无叶扩压器宽度
mm b 3.15b 23=='
58) 入口气流周向分速
u u C C 22
='=287m/s 59) 入口气流径向分速
222C τr r C ='=107m/s
60) 入口气流角
u r C C 2
2
2
tan arc ''='α=?447.20 61) 入口气流速度
(
)
21222
22C r
u
C C '
+'='=306m/s
62) 入口气流温度
()
()kR
k C C
21T T 22
22
22
-'-+
='=350.61K
63) 入口气流压强
1
2222
-???
? ??'='k k T T p p =1.69510?a P
64) 入口气流密度
2
2
2
RT p '='ρ=1.68kg/m 3 65) 取出口直径比
,18.1~08.1/D 23=D 取为1.16
66) 出口直径
2
3
2
3D D D D ==336mm 67) 出口密度（取）
='3
ρ 1.78kg/m 3 68) 出口气流速度
3
3222
3C ρρ'''=
D D C =249m/s 69) 出口气流温度
()
()
=--'
+
'=kR
k C C 21T T 232
2
2
3
366K
70) 马赫数
3
33M kRT C C =
=0.65<0.95认可
71) 取多变效率
()
,8.0~6.01
pol =D
η取为0.60
72) 多变指数项
()11
133D pol k k
n n η-=
-=2.1 73) 出口空气压强
1
232
333-???
? ??'=n n T T p p =1.86510?Pa
74) 出口空气密度
3
3
3p RT =
ρ=1.77kg/m 3 75) 密度误差
='-'=
?3
33
3ρρρρ0.56%<2% 76) 出口宽度
==23b b 15.3mm
77) 出口径向分速
3
333C ρπb D m
r =
=87.5m/s
78) 出口周向分速
()
2
/123233C r
u C C -==233m/s
79) 出口气流角
u
r
C C 333tan
arc =α=?58.20 80) 长度
()=-=
2312
1
D D l D 23mm 2.5 叶片扩压器参数
81) 取直径比
,70.1~40.12
4
=D D 取为1.50 82) 出口直径
=???
?
??=2424D D D D 435mm
83) 出口宽度
==34b b 15.3mm
84) 进气口冲角
,5~2i 3??=取?=23i
85) 叶片进口角
=+=33A 3i αα?58.22
86) 叶片出口角
)20~12(3A 4??+=A αα=?42
87) 叶片进口阻塞系数
9.0~8.03=τ，取3τ=0.9
88) 进口通道面积
A b D 33333sin f απτ==56cm 2
89) 叶片数
30~16z =D ，取=D z 29
90) 进口喉部宽度
==
3
3
3a b z f D 12.6mm 91) 设出口气流密度
4
ρ'=2.01kg/m 3 92) 出口气流速度
A 44
433334sin sin C αραρ'=
D D C A
=97m/s
93) 出口空气温度
()
()kR
k C C T 21T 2
4
23
3
4--+
==392K
94) 多变效率
()
8.0~7.02
pol =D η，取为0.8
95) 多变指数项
()1441
1D pol k k
n n η-=
-=2.8 96) 出口空气压强
Pa T T p p n n 51
34341025.244?=?
??
?
??=-
97) 出口空气密度
34
4
4/00.2m kg RT p ==
ρ 4
44
4ρρρρ'-'=
?=0.49%<2%