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燃气 透平 压缩机 结构设计

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燃气透平式压缩机的结构设计,燃气,透平,压缩机,结构设计

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毕业设计（论文）中期报告 题目： 燃气透平式压缩机的机构设计 系 别 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 （居中，四号，宋体，行距 30 磅） 年 月 日 （居中，四号，宋体） 文）进展状况 本设计已经完成以下内容： （ 1）对于在开题答辩中，老师对我开题报告中提出的相关问题进行了修改，并通过了指导老师的检查。 （ 2） 明确 了透平式压缩 机 具体 设计思路、设计方案与框架 ，并 完成 了 外文 资料的 翻译 。本设计设计的是透平式压缩机中的离心式，离心式压缩机的基本原理是通过原动机带动转子部分的旋转，使进入压缩机的气体通过叶轮、扩圧器、弯道、回流器，反复地得到旋转加速加压的效果，并通过逐级的加速加压，最后达到设计所需的气体速度和压力要求，如图 示。 图 压缩机工作原理示意图 图 缩机级内截面划分 （ 3） 对燃气透平式压缩 机 的 主要结构 进行了 参数设计 和计算 ， 包括压缩机缸体的气动计算，压缩机强度轴向推力的设计计算与效验以及密封的设计。 为了计算气体流过叶轮时，叶轮对气体所作的功，需先分析气体的运动情况。气体在一级里所作的运动划分如图 示： 考察常规叶轮的截面 1 1 及截面 2 2（图 1 1 截面是气体刚进入叶片的截面， 2 2 截面是气体即将离开叶片的截面，设截面上气流的绝对速度，牵连 速度与相对速度分别以 c、 u 及 w 表示 ,，则当气流以 1c 进入 1 1 截面时，其相对速度： 1 1 截面是气体刚进入叶片的截面， 2 2 截面是气体即将离开叶片的截面，设截面上气流的绝对速度，牵连速度与相对速度分别以 c、 u 及 w 表示 ,，则当气流以 1c 进入 1 1 截面时，其相对速度： 111 而当气流以 2w 离开 2 2 截面时，其绝对速度 ： 222 式中的 u 指截面上的圆周速度，其大小 ： 60 图 示出了 c、 w 及 u 三个速度矢量的关系，它们组成的三角形表示出了三者之间的数量关系，称为速度三角形。 图 轮进出口截面气流速度分析 a)进口速度三角形 b)出口速度三角形 在图 ， a）的正值指 c 与 u 之间的夹角，而的正值指 w 与 u 的反向之间的夹角。今后常需把速度分解为圆周方向（即 u 方向）及垂直于 u 方向（在常规叶轮中即为半径 r 方向）的分量，由图 出口速度三角形作几何分析可得： 221222 cc 222122 ww 而且从速度三角形可得下述关系： 21 rr 222 对于进口速度三角形，同样有如下关系式： 111111 cc 111111 ww 及 11 rr 111 时被称为旋绕，而 称为预旋，在大多数设计工况时， 0（或 901a ），此时称为“无预旋”情况。 轴向推力计算示意图， 如图（ 示： 图 缩机轴向推力计算示意图 （ 4） 绘制总装配图，如图 示。离心式压缩机的本体结构分为两大部分：转子，定子。转子由主轴、叶轮、平衡盘、定距套、推力盘、半联轴节等部分组成。定子由气缸、隔板、支撑轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成。 图 透平式压缩机总装配图 存在的问题：本设计虽然已经完成重要设计参数的计算，但燃气压缩机对设备的密封性和防暴阻燃要求很高，在设备的密封和防暴阻燃性能存在很大的疑虑。此外本设计涉及到了许多非标准件的选用，综合 考虑结构和经济性人不是很合理。 解决措施：认真查阅参考资料，向老师请教，与同学交流，继续完善设计，以设计图纸为突破口优化结构，以求更加合理准确。 对压缩机零件进行优化改进，进而促使压缩机结构更加优化。改进中期设计中存在的 缺点，比如压缩机装配时可能出现的互相干涉无法组装、设计时没有考虑加工难度从而导致制造成本高等等缺陷。 第 12 周 (2015 年 3 月 23 日 2015 年 3 月 29 日 )： 对 中期答辩提出的问题 进行修改 ，完善中期报告 的内容和格式并提交； 第 13 (2015 年 3 月 30 日 2015 年 4 月 19 日 )：绘制零件图 ，开始毕业 论文撰写； 第 15 (2015 年 4 月 20 日 2015 年 4 月 26 日 )：完善零件图，完成毕业 论文注： 1） 正文：宋体小四号字，行距 20 磅 ， 单面打印；其他格式要求与毕业论文相同。 2） 中期报告由各系集中归档保存，不装订入册。 撰写 ； 第 17 周 (2015 年 4 月 27 日 2015 年 5 月 3 日 )： 修改论文格式并 准备 毕业 答辩 。 指导教师签字： 年 月 日 附录 A 英文原文 to so as to on of of B a yp e of in by is of t he t h is in a in of by a to p 5 10 7 in ), in to 0 M at 0 of 6 if is to be a he of to be MN is of is my to in of MN 3 3.1 As To is of In to of of of be to of to MN of in of to is if to is is to in of it is to 3.2 to MN is MN no is to be to in of he of If a be we 3.3 IG is of of a in of of is is an it in of in In do in it be in in be of of to (1) As by is (2) in of to (3) (4) as on of on to 4 IG 4.1 TC s I G 300 P DC is Ce 3.2 7 8 L / 10 4 by 110 120 A; 20 22 V. 4.2 1) (2) as or (3) 3.2 mm 4.3 (1) 10 s in to by (2) by a to a by to of of (3) to of to (4) to in in of a do (5) we to of (6) be 5 s to of to to it (1) IG is (2) of to to No no of (3) in in On of a of of of 1. as a (1) in in a of (2) of (3) to a of to (4) is on of (1) in to a be of (2) in to a to of (3) is a of to (4) be a in is 2. in by nd so on of to of of of of of of of of 134a. in of is a In of of is of of no be a In to of of no to of to 3. of of a of he of in (1) as of of to as of do of to in of s Xiu in to in as of he of of 004 to a in of in of a (2) to of is to is 1) of is of is to it to -D to of of to So in is -D is to 2) as a of to a In to on of A 50 to 00 mm .5 5to .8 of to if to in on of is of 00 (3) of is of to be an to of u is of (4) By of we is in of be be an to be in of a to be (5) of is in 000 of is a 4. (1) (2) of to (3) to (4) In (5) (6) 5. In 950s, u a as s a of a of no of a of 录 B 汉语翻译 筒型离心式压缩机干气密封定位凸台的补焊 刘冬菊 哈福民 印明洋 黄维臣 /沈阳鼓风机 (集团 )有限公司 摘要 :介绍了筒型离心式压缩机干气密封凸台由于操作上造成的缺陷 ,从而进行的补焊工艺。对补焊工艺方法的选择作了比较 ,具体阐明了采用手工钨极氩弧焊的补焊工艺方法 ,实践证明 ,效果良好。 关键词 :离心式压缩机 密封凸台 补焊 中图分类号 :献标识码 :B 文章编号 :1006006)04ep a yp e of in by is of t he t h is 在组装某台筒型压缩机干气密封时 ,发现在左、右端盖上安装干气密封处 ,所钻的一次排气孔钻到干气密封定位凸台处 ,使密封凸台破坏 ,破坏面达 25107图 1中的 F 向 ),造成干气密封定位胶环局部密封不好。 左、右端盖本身做水压试验 ,压力为 30M 格后端盖与机壳同时做气压试验 ,压力为 20质为氦气。该产品的气体介质为循环氢 ,承受工作压力 16 果密封凸台不补焊 ,不仅影响外观质量 ,更重要的是在机组运转时将会造成密封漏气 ,严重时还会影响干气密封的使用 ,从而导致工艺流程瘫痪和机组 停机 ,后果不堪设想。 左、右端盖材质为 料 ,该材料特殊 ,补焊难度非常大 ,由于左、右端盖已精加工 ,如果补焊措施不当会引起裂纹 ,焊后变形 ,最为严重的是导致该部件报废。 图 1 端盖补焊区域图 料简介 料是我公司离心式压缩机焊接叶轮、端盖等专用材料。该材料为铬钼合金 ,焊前需要预热 ,焊后需要热处理 ,在调质状态下使用 ,焊接工艺复杂 ,焊接时用 光冷焊 由于左、右端盖已经精加工 ,干气密封定位台也已加工完毕 ,焊接热输入量会导致焊后变形。为防 止焊后变形 ,焊接方法首选是冷焊。为了保证补焊质量 ,笔者与中国科学院金属研究所激光表面熔合的专业技术人员 ,进行了现场质量分析 ,确认是否可以采用冷焊的方法进行补焊。激光表面熔合焊的技术人员对端盖 料的性能、可焊性等 ,都感到陌生 ,补焊的位置处于端盖的中间处 ,确认在补焊时电极接触很困难 ,即使电极接触到焊接效率也极低 ,质量又很难保证 ,面对此种情况 ,确认不宜采用激光冷焊。 工电弧焊 采用手工电弧焊进行补焊 ,灵活方便。由于 料是公司专用材料 ,也有专用 焊接材料和焊后性能都没问题。关键是需补 焊的左、右端盖的位置都是在精加工后的干气密封区域 ,补焊时需要焊前预热 ,焊后热处理 ,手工电弧焊的热输入量很大 ,都会增加补焊区域的热输入量 ,热输入量的不断加大 ,将会导致焊后变形。如果产生变形 ,这意味着左、右端盖将会报废 ,此种方法也不宜采用。 工钨极氩弧焊 氩弧焊 ,是用氩气作保护气体的一种焊接方法。氩弧焊时 ,氩气在电弧周围形成保护气层 ,使熔融金属、钨极端头和焊丝不与空气接触。氩气属于惰性气体 ,它不与金属发生化学反应 ,十分稳定。因此 ,在焊接过程中被焊金属和焊丝中的合金元素不易烧损。此外 ,氩气不溶于金属 ,故 在金属中不能形成气孔。由于具有上述特点 ,采用氩弧焊可以获得高质量的焊缝。 此工件采用氩弧焊进行补焊 ,更充分的理由是 : (1)由于电弧受到氩气的压缩和冷却作用 ,使电弧能量比较集中 ,热影响区小 ,变形也小 ; (2)焊缝区无熔渣 ,焊工在操作时可以清楚地看到 I 摘 要 本次设计所 涉及的 燃气 透平式压缩机具体是 天然气 增压离心式压缩机。 设计内容按照 设计 过程依次 包括气动计算、强度计算、本体设计等。 其中， 气动计算设计 重点 是流道部分 的设计和计算 ，利用欧拉方程 、 速度三角形法 等基本原理和方法 进行 具体 设计。强度计算是 在气动计算结果的基础上，针对设计要求进行相关的 校核 ， 主要是判断 在压缩机高速旋转时， 叶轮和轴的过盈配合而产生的应力是否能够满足机器安全运行的许用应力 要求，以便于 保证在机器正常运行时每一点的应力小于许用应力。本体设计 主要是压缩机 具体 结构设计 ，其 主要包括定子和转子 两大部分 的 设计。 重点是 根据气动计算、强度计算的结果确定主轴、推力轴承、支撑轴承、平衡盘、进气蜗室、排气蜗室的 具体尺寸，从而使机器能够达到气动、强度等 方面 的设计要求。 通过本设计系统的运用了 所学知识，学习了产品设计过程。 关键词 透平式压缩机 ； 气动计算 ； 强度计算 ； 转子；定子 is a of to so on is is so on s on is as a of is an no in to s to s to of s to so on 录 摘 要 . I . 前言 . 1 心式压缩机技术现状和发展趋势 . 1 心式压缩机发展方向 . 2 2 离心式压缩机的总体设计 . 4 基本概述 . 4 离心式压缩机本体结构及拟采用方案 . 4 离心式压缩机基本原理 . 6 离心式压缩机本体结构特点说明 . 6 转子及叶轮 . 7 底座 . 7 润滑和调节油联合系统 . 9 3 缸体气动计算 . 10 气动计算依据的原理 . 10 叶轮进出口速度三角形 . 10 基本方 程 . 12 内损失简介 . 14 气体组分及运行条件 . 16 气动计算方法及分析 . 18 始的数据： . 18 气道参数及其原理公式： . 18 缩机叶轮参数及其原理公式： . 19 叶扩压器参数及其原理公式： . 23 壳参数及其原理公式： . 24 缩机参数校核及其原理公式： . 25 4 压缩机强度设计及轴向推力计算 . 26 转子强度设计 . 26 叶轮强度计算概述 . 26 叶轮应力计算原理 . 26 定子强度设计 . 27 概述 . 27 进出风口厚度计算 . 28 端盖厚度计算 . 28 机壳部分计算 . 29 机壳厚度计算 . 29 机壳端部厚度的计算 . 30 轴向推力计算 . 30 平衡盘尺寸的确定 . 32 轴向推力考虑的三个因数 . 32 压缩机本体设计 . 36 转子 的结构设计 . 36 转子结构总述 . 36 叶轮 . 36 主轴 . 39 推力盘 . 39 轴套 . 40 平衡盘 . 40 联轴器 . 40 转子上的各螺母 . 40 定子的结构设计 . 42 机壳 . 42 扩压器 . 43 回流器 . 43 蜗室 . 43 密封 . 43 本设计完成的其他工作介绍 . 47 结 束 语 . 48 致 谢 . 49 参考文献 . 50 1 1 前言 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 结构紧凑、重量轻，排气量范围大； 易损 件少，运转可靠、寿命长； 排气不受润滑油污染，供气品质高； 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 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 离心压缩机、 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 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 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 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 81 600 /h，功率达到 7 166心式循环氢压缩机流量达到 250 000 /h，功率达到 1 600口压力达到 18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 120 000 /h，功率达到 18 000国外合作设计、制造的丙烯压缩机流量达到 58 000 /h，功率达到 7 500烯压缩机流量达到 74 000 /h，功率达到 5 500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 2 机已应用于 20 30万 t/20 000 /h，功率达到 17 580经应用于 40 000 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 功率达到 4577045 万 t/置原料空气压缩机带尾气透平进口流量 162 413 /h，进出口压力 功率22 000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。 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 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。 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 设计过程中，当转子 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 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 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。 4 2 离心式压缩机的总体设计 基本概述 透平式压缩机是 一种叶片式旋转机械，它利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相继的流通元件使气流减速，将动能转变为压力的提高。一般的压缩机可以分以下几类：如图 示： 图 流直流两用电动机的结构原理 一般透平式压缩机按气体主要运动方向分有：离心式，气体在压缩机大致径向流动；轴流式，气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动；轴流离心组合式，有时在轴流式的高压段配以离心式段，形成轴流、离心组合式压缩机。 离心式和轴流式压缩机相比各有优缺点。轴流式压缩机具有效率高（设计工况下绝热效率可比离心式高出 5%10%）、流量大等优点，但排气压力不高，稳定工作范围窄，对工质中的杂质敏感，叶片易受磨损；离心式压缩机则不同，除效率比轴流式压缩机低外，可达到很高的排气压力，允许输送较小的流量。因此本设计选取透平式压缩机中的离心式压缩机作为设计对象。 离心式压缩机 本体 结构 及拟采用方案 离心式压缩机的本体结构分为两大部分：转子，定子。转子由主轴、叶轮、平衡盘、定距套、推力盘、半联轴节等部分组成。定子由气缸、隔板、支撑轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成。 压缩机 按结构大致可分为，水平剖分型、筒型、等温型三种。水 平剖分型，气缸被 5 剖分为上、下两部分，一般用于空压机，排气压力限在 45适合用于高压和含氢多且分子量小的气体压缩。筒形，也就是垂直剖分型，筒形气缸里装入上、下剖分的隔板和转子，气缸二侧端盖用螺栓紧固。由于气缸是圆筒形的，抗内压能力强，对温度和压力所引起的变形也较均匀。主要用于汽油改质、脱硫等石油精制装置的循环机和其他石油化工用的循环机，使用压力可达 45温型，这种压缩机就为了能在较小的动力下对气体进行高效的压缩，把各级叶轮压缩的气体，通过级间冷却器冷却后再导入下一级的一种压缩机。 本此设计的 压缩机工质为燃气，天然气主要成分为 子相对质量为 16，小于空气的相对分子质量 29，此外燃气采用液化罐装运输时所需压力很大，因此选用筒型。 我们常顺着气体流动路线，将压缩机分为若干个级。所谓级就是由一个叶轮和与之相配合的固定元件构成的基本单元。而气体从进入气缸到排出（进入其他气缸或者冷却）之前经过的部分，被称为一段。离心式压缩机，从具体结构上，可以被划分为如下几个部分： (1) 吸气室：在每段的第一级入口都设有吸气室，将气体从进气管均匀地引入叶轮进行压缩。 (2) 叶轮：叶轮又称工作轮，是压缩机 中最重要的部件。 叶轮又称工作轮，是压缩机的最主要的部件。叶轮随主轴高速旋转，对气体做功。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮里的扩压流动，在流出叶轮时，气体的压强、速度和温度都得到提高。 从能量观点来看，压缩机中叶轮是将机械能传给气体，以提高气体能量的唯一元件。 按结构型式叶轮分为开式、半开式、闭式三种， 本次设计选用 性能好、效率高闭式叶轮。 (3) 扩压器：气体从叶轮流出时，具有很高的流动速度，为了将这部分动能充分的转变为势能，以提高气体的压力，紧接叶轮设置了扩圧器。扩圧 器随着直径的增大、流通面积都随之增加，使气流速度逐渐减慢、压力得到提高。 扩压器的种类一般可分为无叶扩压器、叶片扩压器和直叶壁形扩压器。无叶扩压器，由 前、后隔板 平行壁构成的等宽度环形通道 ，而叶片扩压器和直叶壁形扩压器则是在前后隔板之间设置叶片。无叶 扩压器结构最简单，造价最低，工作范围大，一般离心式压缩机都采用这种结构型式的扩压器 ，也是本设计的选择 。 (4) 弯道与回流器：为了把从扩圧器出来的气体引导到下一级去继续压缩，设有使气流拐弯的弯道和把气流均匀地引入下一级叶轮入口的回流器。弯道是由隔板和气缸组成的通 道，回流器则由两块隔板和装在隔板之间的叶片组成。 (5) 蜗壳：蜗壳的主要作用是把从扩圧器出来的气体汇集起来，并引出机外。 6 (6) 密封：有减少气体从叶轮出口倒流到叶轮入口的轮盖密封，减少级间漏气的定距套密封，以及减少气体向机外泄露或从外吸入的轴端密封。 内部密封如轮盖、定距套和平衡盘上的密封，一般做成迷宫型，防止机器内部通流部分各空腔之间泄漏。防止或减少气体由机器向外部泄漏或由外部向机器内部泄漏的密封，称外部密封。 对于外部密封来说，本次设计需要压缩的气体为燃气，易燃，不允许漏至机外，必须采用液体密封、 机械接触式密封、抽气密封或充气密封等。本次设计选用机械接触式密封中的干气密封。 离心式压缩机基本原理 离心式压缩机的基本原理是通过原动机带动转子部分的旋转，使进入压缩机的气体通过叶轮、扩圧器、弯道、回流器，反复地得到旋转加速加压的效果，并通过逐级的加速加压，最后达到设计所需的气体速度和压力要求。 首先，需要被加压的气体从进气管道进入吸气室中，被吸气室中的隔板分流为均匀的气流，进入旋转的叶轮。在叶轮中，气体做三元流运动，通过加速获得动能，然后由叶轮被甩入扩压器。在扩压器中，气体速度减慢 ，气体压力上升 。然后升压后的气体，通过弯道，进入回流器，然后进入下一级叶轮重复上述加压过程。这样，通过每一个叶轮的旋转加压，最终使气体压力上升到指定的要求。 如图 示： 图 缩机工作原理示意图 离心式压缩机 本体 结构特点说明 形式：垂直剖分锻钢壳体筒型 9 级离心压缩机； 驱动形式：双出轴凝汽式汽轮机 1； 7 转向：从汽轮机进气端看 压缩机 转向为顺时针； 流量调节方式：变转速 ； 轴端密封形式：干气密封 ； 机壳：垂直剖分型锻钢壳体，气体进出口均向下，壳体水压实验按最大允许工作压力 进行 ； 主 轴：锻钢轴带不锈钢轴套 ； 轴承形式： 径向轴承： 水平剖分可倾瓦式 1； 推力轴承： 倾斜垫块（金斯伯雷）式 1，双作用自平衡型，推力轴承载荷不应超过制造商允许最大载荷的 50%， 推力盘和与主轴的配合面为锥面，液压安装与拆卸 ； 密封：级间密封和叶轮口圈密封为迷宫密封 ； 压缩机下机壳排渣：级间排凝设有接管和截至阀，带有双阀加配对盲法兰，法兰 为 ，集合管接至底座边缘。 压缩机与外部链接：所有与用户管道连接的接口采用法兰连接 转子及叶轮 压缩机为锻造铣制焊接叶轮。 单 个叶轮超速测验转速： 最大连续转速 ； 转子超速测验转速（机械运转）： 最大连续转速 ； 转子进行高速动平衡 1，高速动平衡按 ,3进行，整体做高速动平衡 ； 选材考虑了硫化氢和氢气产生的 腐蚀，根据美国叶轮选型标准选用了 沉淀硬化不锈钢 1,7,8。 底座 压缩机、汽轮机采用公用底座，包括防滑盖板、地脚螺栓、调平垫片和不锈钢垫片，地脚螺栓采用基础贯穿式 1。 压缩机公用底座范围内的全部接管交接到底座边缘，并带有对应法兰、螺栓、螺母、垫片。底座范围内的全部仪表，包括接线盒的 配线以及至机旁盘的保护管，接到底座上的开架式仪表盘。 平衡管的设计应保证平衡盘的特性，其尺寸适用于平衡盘密封最大设计间隙的两 8 倍。 压缩机 就地仪表架为不锈钢制成。 压缩机设置防喘振控制系统和机组控制系统 10。 联轴器及护罩：联轴器采用叠片式，护罩为全封闭无火化护罩 1。 压缩机组所有法兰（包括油、汽系统）均采用大外径对焊带颈突面法兰，压力等级不小于 称压力等级） ,管线外径选用 3405管线系列。所有垫片均选用缠绕垫 7。 附带美国太平洋阀门的凸面法兰尺寸如图 表 图 力等级 00 法兰结构示意图 表 面法兰尺寸标准 9 润滑和调节油联合系统 机组各单机润滑油路应统一接到进油集合管，进油集合管末端应装压力表。进油支管设专用调节阀和压力表，回油支管设视镜和温度计，回油管靠在底座边缘。润滑和调节联合油站的所有设备和仪表，安装在一个底座上并带有地脚螺栓。在底座范围内的电气仪表安装好并配管。所有与用户连接的管口带配对法兰接到底座边缘。 10 3 缸体气动计算 气动计算依 据的原理 叶轮进出口速度三角形 为了计算气体流过叶轮时，叶轮对气体所作的功，需先分析气体的运动情况。气体在一级里所作的运动划分如图 示： 图 缩机级内截面划分 11 现考察常规叶轮的 截面 1 1 及 截面 2 2（图 图 轮进出口截面气流速 度 分析 a)进口速度三角形 b)出口速度三角形 1 1 截面 是气体刚进入叶片的截面， 2 2 截面 是气体即将离开叶片的截面，设截面上气流的绝对速度，牵连速度与相对速度分别以 c、 u 及 w 表示 ,，则当气流以 1c 进入1 1 截面 时，其相对速度 ： 111 （ 而当气流以 2w 离开 2 2 截面 时，其绝对速度 ： 222 （ 式中的 u 指截面上的圆周速度 ，其 大小 ： 60 （ 图 示出了 c、 w 及 u 三个速度矢量的关系，它们组成 的三角形表示出了三者之间的数量关系，称为速度三角形 。 在图 ， a）的正值指 c 与 u 之间的夹角，而的正值指 w 与 u 的反向之间的夹角。今后常需把速度分解为圆周方向（即 u 方向）及垂直于 u 方向（在常规叶轮中 即为半径 r 方向）的分量，由图 出口速度三角形 作几何分析 可得 ： 221222 cc 222122 ww （ 而且从速度三角形可得下述关系： 21 rr 12 222 （ 对于进口速度三角形，同样有如下关系式： 111111 cc 111111 ww （ 及 11 rr 111 （ 时被称为旋绕，而 称为预旋，在大多数设计工况时， 0（ 或 901a ），此时称为“无预旋”情况。 基本方程 1、 欧拉方程式 欧拉方程式是动量矩定律（牛顿定律的一种形式）在叶轮机械中的具体应用。 欧拉第一方程 ： ,10 31122 （ 它表明 ： 只要知道叶轮进、出口截面上的速度 u 和 可求出叶轮给予流过叶道单位质量气体的能量，即所谓理论能量头 关于欧拉方程式的一些说明 ： (1) 欧拉方程式是在假设叶轮内气体的相对运动稳定， 1 1 截面 及 2 2 截面（参见图 气流参数 均匀的条件下，应用动量矩定律求得。它不仅适用于任何气体，也适用于任何液体。同时，它也适用于叶轮内的流动有磨擦及损失的情况。 (2) 根据对叶轮内部气体流动的研究，其相对运动可以认为是稳定的，但是沿叶轮内部的任意圆周截面（以旋转轴为圆心）上，其气流参数是不均匀的。在相对 坐 标 系 中，气流参数可认为 是 沿上述圆周截面作“周期”的变化，并以一个叶片通道的宽度为一个“周期”。因此叶轮内部气体的绝对运动是不稳定的 1,2。 但是由于相对 坐 标中气流参数沿圆周作“周期”变化，因此任何瞬间上绝对座标内气流参数沿圆周上的分布形式是一样的，只是其位置转过了一个角度。由于我们所取的控制面包含了整个圆周，所以绝对 坐 标中控制体内的动量矩之和 依然是 不随时间而变的。 (3) 在固定元件或叶轮的 截面 0 0 至 截面 1 1 间，如忽略壁面对气体的磨擦力， 13 则外力矩 T 0。如认为此时气体的绝对运动为稳定，考察两任意截面（其上气流参数为均匀），则可得 或 （ 此情况称为动量矩守恒。 (4) 无预旋情况时的欧拉方程式 ： 对于大多数情况，叶轮进口 0 0 上的气流绝对速度是沿轴向的，由于截面 0 0 至1 1 间壁面摩擦影响不大，故根据动量矩守恒原理，可得到 ,即无预旋情况，此时欧拉方程式简化为 ： 22 （ (5) 欧 拉第二方程： 对速度三角形应用余弦定律，可以得出欧拉方程式的另一种形式，它常被称为欧拉第二方程。 先对出口速度三角形应用余弦定律： ) 5 ( c c o （ 同样，对进口速度三角形有： ) 5 ( c （ 把公式 公式 入欧拉方程式（公 式 便得出欧拉第二方程： 222212222212122 （ 2、 伯努利方程式 伯努利方程式 如下： d 2122 2 （ 它表明一元稳定流动中，外界通过流管侧表面对气体所作的功 I，用以压缩和输送气体的能耗 ， 提高气体的速度能 的能耗 2 2122 以及 消耗 在 i i 至 e e 截面 的损失 能 关于伯努利方程式的说明 ： 14 (1) 尽管伯努利方程式也是从热力学第一定律导出的，但是它的独特的含义补充了能量方程。在能量方程式中，热能与机械能是被同等地看待的，但是在引用了“损失”的概念后，伯努利方程清楚地把机械功 I 分 为三部分，式中前二项为有效功，而第三项则为相伴随的无效功（损失），从热力学第二定律可知，这部分损失是不可避免的，但却是可以降低的 ， 我们要尽量降低损失。 (2) 把伯努利方程应用于叶道内部实际流量 取截面 1 1 为 i i、 2 2 为 e e、此时 I= 得 ： 212221 2h y （ 把上式（公式 欧拉第二方程（公式 比较，得： 2122212122 22 h y （ 即欧拉第二方程的三项速度能差值，二项用于压送气体和克服损失，称为静能头。而余 下的22122 项则称为动能头。 (3) 把伯努利方程用于固定元件，例如扩压器，此时取 3 3 截面 为 i i 截面 ， 4 4 截面 为 e e 截面 ，又 因为 固定元件没有功加入，故 I = 0， 43232443 20 h y d p （ 或 43432423 2 hy （ 上式说明，固定元件中气流速度能的减少，转化为气体的压送功与流动损失。 (4) 把伯努利方程应用于级的压送过程，取截面 1 1（开始压缩的截面）为 i i，而压缩终了截面仍以 e e 表示，则得 lo t 22121（ 内损失简介 总能量头 气损失 轮阻损失 15 叶轮 对流过它内部每公斤质量气体作功为 于其内部的实际流量 与轮盖漏气量 和，因此叶轮对流过它内部的气体所作功率为 （ 但是当叶轮以高速旋转时，其外表面与气体相摩擦，也要消耗功率 此可得到叶轮的总功率 为： t （ 由于我 们 从每一级所得到的，只是有效流量 M，因此在实际计算对单位质量气体所作的功时，应以有效流量 M 为基础 做计算 。 （ 式中各项说明： 是漏气损失 （如图 示） 功率， 的数值，称为轮盖漏气损失 盖漏气损失 轮阻损失功率， 的数值，称为轮阻损失 16 为叶轮的总能量头是，上式 （公式 为： （ 令轮盖漏气损失系数为 ： 令轮 阻 损失 系数 为： 则 )1( 而级的总功率为： t )1( 以上的设计方法和基本原理，就是设计计算的计算依据 . 气 体组分及运行条件 表 体组分表 气体组分 气体分析（摩尔 %） 分子量 额定、正常 重石脑油 开工 1段 2段 1段 2段 *2 硫化氢 *1 *1 *1 *1 甲 烷 乙 烷 丙 烷 正丁烷 异丁烷 正戊烷 异戊烷 2 17 氧 气 水蒸汽 *1 *1 *1 *1 二氧化碳 一氧化碳 氮 气 *1 *1 *1 *1 其 他 总 计 100 100 100 100 100 平均分子量 备注： *1、正常操作时 量为 工工况为 常操作时 量为 工工况为 *2、高纯度含氢气体分子量为 表 行条件表 运行条件 正常（轻石脑油） 额定（ 110%） 开工 1 段 2段 1段 2段 1段 2段 体积流量（ m/h） 21724 120296 58000 38000 质量流量（ kg/h） 47080 42301 51788 46531 5220 3420 进口条件 压力（ 度（） 40 40 40 40 40 40 相对湿度（ %） a c e r W W W . Y l m F . C o M - ? n 毕业设计 (论文 )开题报告 题目： 燃气透平式压缩机的结构设计 文）综述（ 题目背景、研究意义及国内外相关研究 情况） 目背景 透平式压缩机是在通风机的基础上发展起来的，它广泛用于各种生产工艺过程中输送空气和各种气体，并提高压力。本课题针对燃气透平式压缩机，合理设计其机构以提高工作效率。现代燃气透平最广泛的是作为喷气式飞机的推进动力，有的用作舰船动力、发电厂、尖峰负荷小型电站，也作为远距离输送天然气的气泵的动力。燃气透平压缩机主要用于提高天然气的压力，克服管道输送的生产 阻力和罐装存储运输，提高工作效率。 究意义 透平式压缩机是一种叶片旋转机械，它利用叶片和气体的相互作用，提高气体的压力和动能，并利用相继的通流原件使气体减速，将动能转变为压力的提高。 9透平一词是英语中的 音，源于拉丁文 词，意为旋转的物体。透平机械是一种具有叶片的流体机械，流体（气体或液体）与叶片相互作用并传递能量。 1根据能量转化方向的不同，可将透平机械分为动力式透平（相当于原动机）和从动式透平（相当于从动机）。透平式压缩机属于后一种。 透平压缩机是天然气输运与液化、 石油开采与炼制煤液化与煤化工等能源工业的核心装备，也是石化、钢铁等领域的重要耗能动力装备。压缩机宽工况、稳定、高效和长周期运行对能源及动力系统的安全、节能有重要意义。近年来，随着经济的高速发展，透平压缩机在内部流动机理、设计及制造技术，运行及控制等方面得到了充分的研究，使我国透平压缩机设计制造技术有了长足的发展。但装置大型化及系统高效节能的发展趋势，对透平压缩机技术发展又提出了新的课题，需要解决透平压缩机的气动设计，系统协调匹配及自动控制等方面的关键技术，开发高效节能、安全可靠的大型压缩机组，提高我国石油化 工装置用压缩机的技术水平。 内外相关研究情况 实用透平式压缩机在工业上出现之前，活塞式压缩机早已获得了普遍应用。我国大型透平压缩机装备的发展历史较短。通过国外先进技术的引进，消化吸收和自主开发，大型压缩机组等关键装备的国产化水平已经有了很大提高。初步形成了一些大型压缩机的自主开发能力。可以基本满足 1000 万 t/a 炼油、 8 万 m3/h 空分等的要求。但天然气长输管线压缩机还基本依赖进口，油气深度开采，天然气液化等所需的高参数压缩机尚在研制。国产化大型透平压缩机的技术水平与国外相比还有一定差距。在装备技术开 发跟不上能源需求和工艺流程技术发展的速度，在装备能耗和可靠性等方面还有明显差距。 随着石油化工等工业装置的不断增大，透平压缩机向高参数、大容量发展，由于基础研究的缺乏导致透平压缩机基本级系列不全，不能满足很多应用场合要求。如 “西气东输”项目的管线大型压缩机。目前国内还没有生产，仍需要进口。 在设计技术方面，由于基本级系列不全，效率偏低，设计计算的准确性较差，导致同规格压缩机比国际先进产品效率低 2 5；传统方法只重视在设计工况点获得高效率。对压缩机的调节性能研究不够。而实际中大多数压缩机不是仅在设计点运 行而是通过调节在一定工况范围内运行，从而导致很多“高拙”产品在使用时是在偏离设计点的区域低效运行，致使许多国内压缩机机组同进口机组相比实际运行效率低5 20。 国内缺乏压缩机系统与工艺流程匹配特性方面的研究，对工艺系统的理解欠缺，压缩机组的设计往往不到位造成较大浪费，易出现机组与工艺系统不匹配，或偏离最佳工况运行，自适应调控能力差。而国外公司对各种化工工艺系统的理解深，经验丰富，压缩机的设计总是恰到好处。 控制技术存在差距。国内机组都依靠紧急停车系统确保机组安全。经常停车对大型化过程装置经济损失巨大。 国外机组已经采用智能控制系统，针对不同的机组和工艺装置开发相应的专用控制软件包，使机组控制系统监控功能适应不同的机组和相应的工艺装置，使机器的安全运行能够得到保证。 总之，我国大型透平压缩机组设计效率偏低，整体落后。使得机组的实际运行效率更低。造成极大的能源浪费。主辅设备缺乏协同性，影响了压缩机组的运行效率和安全可靠性。致使高新技术装备依赖国外的现象依然存在。国际上透平压缩机在向大型、节能、高可靠性发展，技术开发的重点转向了提高产品的可靠性和运行效率，降低能源消耗，改进生产工艺方法等方面。机组的大型化使得透 平压缩机在设计技术、主辅设备的协调工作及智能化控制技术几个方面部面临新的挑战，因此，发展设计理论、研究压缩机可靠性及智能控制方法是大型透平压缩机组技术发展的必然趋势。随着石化装置的大型化、数字化、智能化和炼化一体化，产业集成度越来越高，国产化装备的技术水平与国外相比还有逐步拉大的趋势。 究方法或措施 究的主要内容 (1)收集与查阅相关文献资料，了解目前透平式压缩机研究现状，分析压缩机的类型、使用要求的具体情况，利用相关专业知识设计透平式压缩机主要结构； (2)对主要的零部件选取合适的材料考虑如何加工，完成主要功能与结构设计； (3)利用 相关绘图软件绘制相关原理及重要零件工作图； (4)分析该结构的原理、特点等。 采用的研究方案、研究方法或措施 一般透平式压缩机按气体主要运动方向分有：离心式，气体在压缩机大致径向流动；轴流式，气体在压缩机内大致沿平行于轴线方向流动；轴流离心组合式，有时在 轴流式的高压段配以离心式段，形成轴流、离心组合式压缩机。 离心式和轴流式压缩机相比各有优缺点。轴流式压缩机具有效率高（设计工况下绝热效率可比离心式高出 5%10%）、流量大等优点，但排气压力不高，稳定工作范围窄，对工质中的杂质敏感，叶片易受磨损；离心式压缩机则不同，除效率比轴流式压缩机低外，可达到很高的排气压力，允许输送较小的流量。因此本设计选取透平式压缩机中的离心式压缩机作为设计对象。 离心式压缩机的本体结构分为两大部分：转子，定子。转子由主轴、叶轮、平衡盘、定距套、推力盘、半联轴节等部分组成。定子由气缸、隔板、支撑轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成。 按结构大致可分为，水平剖分型、筒型、等温型三种。 水平剖分型，气缸被剖分为上、下两部分，一般用于空压 机，排气压力限在45适合用于高压和含氢多且分子量小的气体压缩。筒形，也就是垂直剖分型，筒形气缸里装入上、下剖分的隔板和转子，气缸二侧端盖用螺栓紧固。由于气缸是圆筒形的，抗内压能力强，对温度和压力所引起的变形也较均匀。主要用于汽油改质、脱硫等石油精制装置的循环机和其他石油化工用的循环机，使用压力可达 45温型，这种压缩机就为了能在较小的动力下对气体进行高效的压缩，把各级叶轮压缩的气体，通过级间冷却器冷却后再导入下一级的一种压缩机。 本此设计的压缩机工质为燃气，天然气主要成分为 子 相对质量为 16，小于空气的相对分子质量 29，此外燃气采用液化罐装运输时所需压力很大，因此选用筒型。 叶轮又称工作轮，是压缩机的最主要的部件。叶轮随主轴高速旋转，对气体做功。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮作高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮里的 扩压流动，在流出叶轮时，气体的压强、速度和温度都得到提高。按结构型式叶轮分为开式、半开式、闭式三种， 本次设计选用 性能好、效率高闭式叶轮。 扩压器的种类一般可分为无叶扩压器、叶片扩压器和直叶壁形扩压器。无叶扩压器，由二个隔板平行壁构成的等宽度环形通道。这种扩压器结 构最简单，造价最低，工作范围大，一般离心式压缩机都采用这种结构型式的扩压器。 气封：内部密