（机械工程专业论文）丙烷气离心压缩机组设计中的若干关键技术研究.pdf

甥 g l 胪 止 at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n 删, t8 删4 3 4 5 5 s o m ec r i t i c a lt e c h n i q u e si nd e s i g no f p r o p a n e c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o ru n i t b yz h a oz h il i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i nk a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 ，t 一 j l i 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本 人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：穴忘疆 e t 期：多8 弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 学位论文作者签名： 日期： 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： ，l，t|，- f ? 0 东北大学硕士学位论文摘要 丙烷气离心压缩机组设计中的若干关键技术研究 摘要 离心式压缩机在国民经济各部门中占有重要的地位。特别是石油、化工、冶金以及 动力等工业部门获得广泛应用。随着市场需求的不断增大及个石化系统生产能力的增 强，不仅需要增设新的项目，各工业部门原有设备扩大生产，需要改造的需求也日益增 多。与新增设的项目相对比，改造项目所受到的约束要更多一些，要运用一系列理论计 算工具来论证改造后的设备要满足新参数，也要最大限度的考虑原有设备中可以利用的 部分，并且要将旧设备中已经不能很好完成功用的零部件替换掉，因此，对改造产品进 行优化分配，提供最优的整套解决方案是当务之需。 本文首先进行了原产品参数和改进后需要达到的新参数的对比，通过使用一系列理 论工具为支持，确定了最佳方案，用新的机型m c i a 0 2 代替原来的机型m c l 4 0 3 ，并论 证了其方案的可行性。 其次，针对原沈鼓8 0 年代出厂的产品均采用浮环密封或者机械密封的特点，结合 目前密封发展的趋势，以此产品为利，对原有浮环密封结构进行了改造，用第四代密封： 干气密封代替了浮环密封，合理制定了改造方案，并进行了两代密封的对比分析。 最后，本文结合用户现场试车到平稳运行的实际情况，理论和实际相结合，强有力 的说明了改造方案的可行性，在给用户带来经济效益的同时，也为沈鼓针对原有产品改 造方面打开了一扇窗。使沈鼓和用户在这经济高速发展、竞争日益激烈的今天能够双赢。 关键词：离心压缩机；三元叶轮；干气密封 - i i - t 呷 f l 啊 p f 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t s o m ec r i t i c a lt e c h n i q u e si nd e s i g no f p r o p a n ec e n t r i f u g a l c o m p r e s s o ru n i t a bs t r a c t c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rt a k e sai m p o r t a n t s e a to nn a t i o n a l e c o n o m y , e s p e c i a l l yi n p e t r o l e u m 、c h e m i s t r y 、m e t a l l u r g ya n dd y n a m i ci n d u s t r yf i e l d s a st h er e q u i r e m e n t so f m a r k e t a n d t h r o u g h p u to fp e t r o c h e m i c a ls y s t e ma r eg e t t i n gb i g g e r , i tn e e d sn e wi t e m s ，e a c hi n d u s t r y d e p a r t m e n te x p a n d st h em a c h i n e sw h a tt h eh a d ，a n dr e q u i r e m e n t sb e c o m em o r e c o m p a r e d 谢t l lt h en e wi n c r e a s e di t e m s ，t h er e c o n s t r u c t i v e i t e m sh a sm o r e r e s t r i c t i o n s ，s ow e s h o u l du s eas y s t e mo fa c a d e m i ca c c o u n tt o o l st od e m o n s t r a t et h a tt h er e c o n s t r u c t e d i t e m s s a t i s f yt h en e wd a t a a d d i t i o n a l l y , w es h o u l dc o n s i d e rt h ed a t at h a tt h eo l de q u i p m e n t sh a da s m o r ea si m p o s s i b l e a n da c c e s s o r i e sw h i c hc h o u l dn o tb ea c c o m p l i s h e do fo l de q u i p m e n t s s h o u l db ed i a p l a y e d t h e r e f o r e ，w e l ld i s t r i b u t i n gr e c o n s t r u c t i v ep r o d u c t sa n dp r o v i d i n gt h e b e s tw a yt op u tt h ea x ei nt h eh e l v ea r eu r g e n t t h i sd i s q u i s i t i o nc o m p a r e sd a t ao fo l de q u i p m e n t s 、析t 1 1n e wr e c o n s t r u c t i v ed a t a u s i n ga s y s t e m o fa c a d e m i ca c c o u n t t o o l s ，w eg e tn e wt y p em c l 4 0 2t or e p l a c eo l dt y p e m c l 4 0 3 a d d i t i o n a l l y , w ed e m o n s t r a t ei tc a nc o m e t r u e t h e na c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fs e a lo fs h e n y a n gt u r b o - m a c h i n e r y c o m p a n yl i m i t e do n8 0 sa g e ，r e c o n s t r u c t i v ef o u r t h - e r as e a l ：d r yg a ss e a li sa v a i lf o r c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o rd e v e l o p i n g a tt h ee n do ft h ed i s q u i s i t i o n ，t h e o r yc o m b i n i n gp r a c t i c ec a ns h o wt h a tr e c o n s t r u c t i v e p r o j e c th a sf e a s i b i l i t y i tc a nh a sb o t hb e n e f i tf o ru s e ra n du s ，s ow ew i s hi tc h o u l dh a v ea l u c i f e r o u sf u t u r e k e yw o r d s ：c e n t r i f u g a lc o m p r e s s o r ；t h r e e d i m e n s i o n a li m p e l l e r ；d r yg a ss e a l i i i 东北大学硕士论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 离心压缩机的特点1 1 1 2 干气密封技术发展现状1 1 2 离心压缩机设计理论研究现状一2 1 3 论文的主要工作及其重要意义。2 第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计i 4 2 1 丙烷气压缩机的类型4 2 2 丙烷气离心压缩机的技术参数一4 2 3 气动方案选型一6 2 3 1 气体的压缩性系数7 2 3 2 丙烷气压缩机压缩性系数1 1 2 3 3 压缩功13 2 3 4 级效率1 4 2 3 5 级内损失1 6 2 3 6 柏努力方程式17 2 3 7 丙烷气压缩机内泄漏计算18 2 3 8m c l 4 0 2 设计计算过程2 1 2 3 9c a l 3 0 0 计算结果2 2 2 4 转子一轴承系统动力特性分析2 7 2 4 1 转子一轴承系统动力特性分析原理2 8 2 4 2 转子一轴承系统动力特性计算结果2 9 2 4 3 小结31 i v 东北大学硕士论文 目录 2 5 压缩机叶轮材料分析31 2 5 1 最大过盈。3 2 2 5 2 最小过盈。3 2 2 5 3 零过盈3 3 2 5 4 安全系数3 3 2 5 5 小结3 3 2 6 改造前后压缩机结构对比3 3 2 7 本章小结3 4 第三章丙烷气离心压缩机干气密封设计3 5 3 1 浮环密封的特点3 5 3 1 1 原产品浮环密封运行情况介绍3 5 3 1 2 浮环密封的结构和工作原理3 5 3 1 3 浮环密封失效型式3 6 3 1 4 浮环密封的优缺点3 6 3 2 干气密封的特点3 7 3 2 1 干气密封的分类3 7 3 2 2 干气密封的在离心压缩机中的应用3 9 3 3 压缩机浮环密封改造成干气密封后的对比4 4 3 4 本章小结4 6 第四章丙烷气离心压缩机的现场运行4 7 第五章结论与展望。5 0 参考文献51 致谢5 4 v 东 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 离心压缩机的特点 离心式压缩机在国民经济各部门中占有重要的地位。在工业上应用广泛，特别是石 油、化工、冶金以及动力等工业部门获得广泛应用。按照压缩气体的方式不同，压缩机 通常分为两类：一类是容积式压缩机( 包括活塞式压缩机、螺杆式压缩机等) ；另一类 为透平式压缩机。从能量观点来看，压缩机是原动机的机械能转变为气体能量的一种机 械。气体压力的提高是通过叶轮对气体作功达到的。按压力分，压缩机的操作压力超过 3 5 大气压以上，有时带有中间冷却器或气液分离器。气体在离心式压缩机中的运动， 是在沿着垂直压缩机轴的径向方向进行的。离心式压缩机中气体压力的提高，是由于气 体流经叶轮时，由于叶轮旋转，使气体受到离心力的作用而产生压力；与此同时气体获 得速度，而气体流过叶轮、扩压器等扩张通道时，气体的流动速度又逐渐减慢而转变气 体压力的提高。离心压缩机由叶轮、扩压器、弯道、回流器构成完整的压缩级。 随着市场需求的不断增大及个石化系统生产能力的增强，各工业部门原有设备扩大 生产、需要改造的需求也日益增多，本课题的依据就是中国石油化工股份有限公司广州 分公司原丙烷气压缩机的改造项目。原机型为m c l 4 0 3 ( 注：m 一机壳水平剖分结构， c l 无叶扩压器，4 0 叶轮名义直径为4 0 0 m m ，3 共3 级叶轮) ，由于生产能力增大，压 缩机入口流量增加，在该公司所提供的新参数，对其进行了详细的核算，最终敲定改造 后的机型为m c l 4 0 2 ，并利用了沈鼓自主研发的高效三元叶轮。 1 1 2 干气密封技术发展现状 干气密封是6 0 年代末期以气体润滑轴承的概念为基础发展起来的，其中以螺旋槽 密封为最典型。经过数年的研究，美国的约翰克兰公司率先推出干气密封产品并投入工 业使用。它是一种新型的非接触式轴封。其结构与普通机械密封类似，但重要区别在于， 干气密封其中的一个密封环上面加工有均匀分布的浅槽。运转时进入浅槽中的气体受到 压缩，在密封环之间形成局部的高压区，使密封面开启，从而能在非接触状态下运行而 实现密封。将干气密封技术和阻塞密封原理有机结合，“用气封液 或“气封气 的新 观念代替传统的“液封气 或“液封液”观念，可保证任何密封介质实现零逸出，故更 适合作为高速高压下的大型离心压缩机的轴封。由于它不需要密封润滑油，省去了封油 系统及用于驱动密封油系统运转的附加功率负荷。其所需的气体控制系统也比封油系统 1 - 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 要简单的多。而且泄漏量小，寿命长，维护费用低，密封驱动功率消耗少。 1 2 离心压缩机设计理论研究现状 目前压缩机的理论研究主要在结构、材料、热力过程、流体流动、传热、喷油、可 靠性的计算和简化模型的理论分析和试验，以及对压缩机整体或部分的计算机模拟和仿 真等方面。综合各文献，压缩机理论的主要研究包括： ( 1 ) 结构研究：包括主机整体结构，部件结构，如吸气排气口确定，工作腔位置 和形状，及对原有结构的利用、改动分析等。 ( 2 ) 热力过程研究：包括对气体的压缩状态进行计算分析，结合原机型机构选取 可行高效的叶轮，形成新的机型方案。 ( 3 ) 稳定性分析：通过r b s p 元件对压缩机转子进行分析，使压缩机的工作工况 转速满足隔离裕度要求。 ( 4 ) 材料核算：利用c a l c 4 7 程序对叶轮的强度进行核算，核算在汽轮机跳闸转 速时叶轮与主轴在最大过盈、最小过盈时的应力值和松动转速，来较核叶轮材料的正确 与否。 ( 5 ) 压缩机轴端密封研究：通过对用户现场反馈的故障数据分析原有密封的弊端， 对原有密封腔进行可行性改造，用先进的干气密封代替原有的浮环密封。 1 3 论文的主要工作及其重要意义 本论文的研究重点在于与生产实际需要为前提，即利用我公司与广州石化公司签订 的产品h 7 1 4 为原型，利用企业现有的叶轮系列数据库的资源，根据产品的实际参数、 合同要求，应用程序c a l 3 0 0 合理优化叶轮选型。并结合产品现场运行过程中遇到的实 际问题，利用先进的干气密封代替了原有的浮环密封，用“气封气”的新观念代替了传统 的“液封气”观念，可保证实现零逸出。 使用户大大提高生产率，实现经济效益的最大化。 论文共分为五章。第一章是绪论部分，主要介绍了论文的研究背景，主要以用户的 要求和机组现场实际运行的情况为出发点，大概阐述了论文的观点。第二章离心压缩机 本体部分理论的研究。主要对原有机器现有情况进行分析，通过气动方案计算、分析， 确定最佳方案，再通过一系列理论计算来分析该离心压缩机本体部分结构及材料选用的 正确性。第三章主要离心压缩机轴端密封的分析。第四章是结合现场开车的情况来更有 力的证明了该压缩机方案的正确性。第五章对全文进行了总结和展望。 我国的石化行业目前正处于发展快速的阶段，在各个企业新项目不断上马的时候， 也面临着好多原有设备需要扩容的现状。原有设备扩容存在好多的技术难点，对其改进 要求的可行性需要仔细详尽的论证，同时要有强大的技术力量作为强有力的支持。本课 - 2 - 东北大学工程硕士学位论文第一章绪论 题中涉及的产品是我公司7 0 年代的产品，公司内部的产品流水编号为h 4 1 ，而改进后 的产品流水编号为h 7 1 4 ，在两个产品之间经历的不仅仅的时间无论是石化企业还是沈 鼓集团，都发生了很大的变化，尤其是沈鼓集团，无论是企业的规模、生产加工能力、 技术力量、技术储备都已经是非昔日可比的了。 我公司的新技术不仅应用于新产品开发而且还可以应用于各个行业已经运转多年 的原有产品。可以为用户节约开支、创造最大限度的的经济效益。本课题的研究虽立足 于企业的产品实际，无形中起到抛砖引玉的作用，打开通向高精端技术的大门。因此其 意义重大。 - 3 - 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 2 1 丙烷气压缩机的类型 按照压缩气体的方式不同，压缩机通常分为两类：一类是容积式压缩机：包括活塞 式压缩机、螺杆式压缩机等；另一类为透平式压缩机。从能量观点来看，压缩机是原动 机的机械能转变为气体能量的一种机械。我公司生产的压缩机主要是透平式压缩机。所 以这里也主要介绍透平式压缩机。 透平式压缩机是一种叶片旋转式机械。在离心式压缩机中，气体压力的提高是通过 叶轮对气体作功达到的。目前风机的分类有下列几种： ( 1 ) 按压力分类 通风机：压力在1 5 0 0 毫米水柱以下； 鼓风机：压力在1 5 0 0 毫米水柱以上至3 5 大气压左右； 压缩机：压力超过3 5 大气压以上，有时带有中间冷却器或气液分离器。 ( 2 ) 按结构型式分类 离心式压缩机 气体在离心式压缩机中的运动，是在沿着垂直压缩机轴的径向方向进行的。离心式 压缩机中气体压力的提高，是由于气体流经叶轮时，由于叶轮旋转，使气体受到离心力 的作用而产生压力；与此同时气体获得速度，而气体流过叶轮、扩压器等扩张通道时， 气体的流动速度又逐渐减慢而转变气体压力的提高。离心压缩机由叶轮、扩压器、弯道、 回流器构成完整的压缩级。 轴流式压缩机 轴流式压缩机：气体在轴流式压缩机中的运动，是沿着平行于压缩机轴的轴向方向 进行的。在轴流式压缩机中，同样由于转子旋转，使气体产生很高的速度，而当气体流 过依次排列着的动叶和静叶栅时，气体的流动速度就逐渐减慢而变成气体压力的提高。 图1 5 为轴流式压缩机的构造。轴流式压缩机一般由吸气室、进气导流叶片排、级组、 出气整流叶片排及排气室组成轴流式压缩机一个级。 2 2 丙烷气离心压缩机的技术参数 本文所研究的丙烷气压缩机是离心压缩机，用于压缩以丙烷气为主的气体。该丙烷 气压缩机是我公司的实际产品( 公司的产品代号为h 7 1 4 ) 。h 7 1 4 产品机型为m c l 4 0 2 ， 为我公司2 0 0 6 年3 月份和中石化广州分公司签订的针对原h 4 1 产品改造的合同。h 4 1 产品为1 9 8 7 年4 月份为中石化广州分公司设计、制造的m c l 4 0 3 型压缩机，该压缩机 4 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 的参数详见下面表格，后期由于公司的生产能力加强，流量增大为原流量的1 5 2 ，原 产品结构不再满足新的要求，2 0 0 6 年重新设计了新的机型，又从用户的角度考虑，对原 h 4 1 产品中能够利用的部分进行了充分的利用，由于h 4 1 产品为我公司早期产品，历时 时间较长，虽然该产品在当时属于先进的，但是和现在的先进技术相比，在一些方面还 是有很大的差距的，在这次设计中，我公司充分结合h 4 1 产品运行中的实际问题，经过 论证予以改进。 原离心压缩机为型号为m c l 4 0 3 ( 注：m 一机壳水平剖分结构，c l 无叶扩压器，4 0 叶轮名义直径为4 0 0 m m ，3 共3 级叶轮) ，叶轮采用的是我公司7 0 年代从意大利新比隆 引进技术时的二元叶轮分别为b 3 、b 4 、b 5 。 我公司现有叶轮形式可分为闭式二元、闭式三元和开式三元叶轮。其图形如下图所示。 图2 1 闭式二元叶轮 f i g2 1 c l o s e n d o w na n dp l a n a ri m p e l l e r f i g2 2 图2 2 闭式三元叶轮 c l o s e n d o w na n dt h r e e - d i m e n s i o n a li m p e l l e r 图2 3 开式三元叶轮 f i g 2 3 o p e n i n ga n dt h r e e - d i m e n s i o n a li m p e l l e r - 5 - 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 表2 1m c l 4 0 3 产品参数为： t a b l e21p a r a m e t e r so fc o m p r e s s o rm c l 4 0 3 标立米，j 、时 进口条件 压力( 兆帕a ) 温度( ) 分子量 出口条件 压力( 兆帕a ) 温度( ) 所需功率( 含全部损失) k w 转速( 转分) 多变效率 7 7 7 6 0 0 9 1 2 4 6 l 4 4 2 6 4 1 6 4 5 5 1 5 4 0 8 0 3 2 8 0 5 首级叶轮采用的是闭式高效三元叶轮t 5 ，用闭式宽二元叶轮b 3 作为第二级叶轮。 2 3 气动方案选型 本章主要通过c a l c 3 0 0 程序对丙烷气压缩机的压缩状态进行求解计算，考虑气动参 数的变化，密封的泄漏量，进行气动性能计算，确定压缩机叶轮的数量、类型、压缩机 的气动功率，并得到预期的性能曲线。 6 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 2 3 1 气体的压缩性系数 当气体作为理想气体处理时，认为气体的分子不占空间，气体分子之间相互没有作 用力( 吸力或斥力) 。此时气体状态参数p v t 关系，满足克拉贝隆理想气体状态方 程式： p v = 积丁 ( 2 1 ) 压缩性系数定义如下 z ：旦( 2 2 ) r 了 显然，对于理想气体，z - - 1 。对于高温、低压下( 对比压力较低) 的实际气体，z 近似为1 。但在低温、高压下的实际气体，z 偏离1 。 为什么实际气体的z 偏离1 ，即它不满足理想气体状态方程式呢? 这是由于实际气 体的分子本身占有一定的容积，分子之间存在着相互作用力。根据各种类型的分子间力 理论，主要是静电作用、诱导作用、色散作用和弱化学作用。静电作用是由于极性分子 中，正电荷的重心和负电荷的重心彼此相距某一距离存在永久偶极矩而产生。对非极性 分子，从统计平均来看，分子正负电中心重合，但在任一瞬间，仍然存在着瞬间偶极矩； 同时，在外电场的作用下，还会产生偶极矩。弱化学作用主要是指氢键，它是在含氢原 子的分子，和含f 、o 、n 、c l 、s 原子的分子间存在着一种特殊的分子间的相互作用。 此外，某些气体分子还具有量子效应，例如，在低温下的氢气和氨气，量子效应起着重 要的作用。 在实际工程中，确定实际气体压缩性系数z 一般方法有两种。 第一种方法是根据对应态原理确定压缩性系数z 。它可以表示为 z - - z ( o ) + 纰( 1 ) ( 2 3 ) 第二种方法是是以分析式表示的经验和半经验状态方程 我们常使用的状态方程是范德瓦尔方程( 立方型状态方程) 和b w r 方程( 多参数 状态方程) 1 9 7 5 年，李和柯斯勒把三参数对应态原理与通用b w r 方程相结合提出了确定压缩 性系数z 的方法( 称为l k 方程) 。它适用于普通流体，较精确和通用。利用三参数对 应态原理，z 的表达式为 削+ 号( 少) ) ( 2 4 ) 式中：z 简单流体的压缩性系数； z 所求流体的压缩性系数； z p 参考流体的压缩性系数； - 7 一 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 国所求流体的偏心因子； 缈p 参考流体的偏心因子。 参考流体选用辛烷。缈p = 0 3 9 7 8 上式中右边第二项，实际上为修正项。也可以写成： 趔k 芳( 少) r _ 门 ( 2 5 ) 这样我们可以得到一个通用的b w r 方程。即 z ：竽：l + 导+ 要+ 号+ 等( + 与e x p ( 一与) f ， 1 ，咋1 ，。7 ：。1 ，v r v ， 1 ，：盟 r 毛 ( 2 6 ) 式中，状态参数都以对比参数表示。其中b 、c 、d 均与温度有关。 b ：6 1 一丝一罢一j b 4 ( 2 7 ) z j2 j f c = c l c 2 一c 3 0z 3 ( 2 8 ) d ：d l d 2 2 j ( 2 9 ) 而b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 ，c 1 ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，d l ，d 2 ，7 均为常数，对于简单流体和 参考流体的这此常数值列于下表中 表2 3l k 方程的常数值 t a b l e2 3c o n s t a n to fl ke q u a t i o n l k 方程的适用范围为0 3 _ 。”m ； 在已知质量成分砧求摩尔成分时，可按下式换算 m ：兰：堕丝r l ：= 盟 ( 2 2 9 ) 胪j 2 瑟高南2 赫 忆驯 丙烷气压缩机压缩性系数： z - - o 9 7 7( 标况) 1 2 东北大学工程硕士学位论文 第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 2 3 3 压缩功 ( 1 ) 定熵压缩功 实际气体的定熵压缩功，可以由下式决定： 或可写成： 腑= 卜= 高硐妒一 ( 2 3 1 ) 腑= 丽i n , ( p 2 v 2 s - p l v l ) = 南肥： 一z l m ( 2 3 2 ) ( 2 ) 多变压缩功 实际气体的多变压缩功，可以由下式决定： 或可写成： = 卜= 器碱妒一 ( 2 3 3 ) = 品z l 尺弛吃一届h ) = 羔r ( z 2 互一z l 互) ( 2 3 4 ) ( 3 ) 等温压缩功 实际气体的等温压缩功可以由下式决定： 或可写成： 睇= 卜鲁啦州 ( 2 3 5 ) = 忐( m 一仍屹r ) = 黑r 五【z l z 2 门(236)n 1i 一1 ，一甩v 。 上式只用于容积等温指数肋1 。为了减小由于疗d 很接近于1 时可能引起的误差， l 一刀1 ，值最好用下式来计算： h ( 旦) 旦：旦 _ _ _ _ _ _ _ _ 一= _ _ _ _ _ 二二_ ；_ i 一 1 。舢h c 争 - 1 3 - ( 2 3 7 ) 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 2 3 4 级效率 压缩机是用来提高气体压力的机械，离心压缩机或级的效率，主要是要来说明传 递给气体的机械能的利用程度。在离心压缩机中经常采用的多变效率、定熵效率和等温 效率。 ( 1 ) 多变效率 ， 多变效率是指由压力尸j 增加到压力尸2 所需的多变压缩功与实际消耗的功( 既总耗功 ( w t o t ) 之比。 、 2 霄2 ( 1 + 玩+ 岛) ( 2 3 8 ) 或者写成：，= 篆= ；一 c 2 3 9 ， 七一l 、7 2 在压缩机级的计算当中，由于进出口动能差鱼；笠很小，一般可以忽略，这时指数系 数与7 轴间的关系为 弘嘉= 吉 ( 2 加) ，咒一l后一l 。 因为多变过程 p 4 ：( 一1 2 ， ( 2 4 1 ) 这样多变效率又可按下式计算： 所g 告 一= _ _ _ _ 二二- - 一 肛1 g 署 ，当1l g ( 奢 仰k 善2 吾。薛t 2七一l七一l。、丁1 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 在级的设计中，级的多变效率常常是按照级或模型级试验所得到的多变效率来计 1 4 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 算，或者按照类似的压缩机级的多变效率来选取。如果在的级的模型试验中，测得了级 的进出口压力或温度，则级的多变效率就可以求得。 在丙烷气压缩机中1 0 0 设计点时m c l 4 0 2 和m c l 4 0 3 机型中叶轮对应的多变效率 如下： 表2 6 效率对比 t a b l e2 6 e f f i c i e n c yc o n t r a s t 很明显，t 型的三元叶轮的单级效率要高于b 型式的二元叶轮，这也是能够使在流 量增大的情况下，利用三元叶轮t 5 使得整机效率提高的重点所在。 ( 2 ) 定熵( 绝热) 效率 定熵( 绝热) 效率是指由压力p 1 增加到压力p 2 所需的定熵( 绝热) 压缩功与实际 消耗的功( 既总耗功( w t o t ) 之比。 或者写成： 当略去动能变化时得到： ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 式中：巧一定熵( 绝热) 压缩过程时的终点温度 在提高气体的压缩过程中，多变压缩功和定熵( 绝热) 压缩功都是有用功有时也把 它们称为有效压缩功。同一级中的多边压缩功总是大于定熵( 绝热) 压缩功。 ( 3 ) 多变效率与定熵( 绝热) 效率的关系 ( p 2 ) t 一1 仇= l 百一 ( 2 4 7 ) ( 丛) 一一1 - 1 5 - 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 ( 4 ) 等温效率 等温效率是指从压力p 1 到p 2 等温压缩功与实际所耗功之比。即： ：互 ( 2 4 8 ) ” 等温效率是表示实际工程接近等温过程的程度。具有冷却的压缩机中，常采用等温 效率来评价压缩机的好坏，如果实际过程越接近等温过程，则压缩机的等温效率越高。 本机组只有2 级叶轮，气体压缩后第一级叶轮的出口温度为3 9 1 ，第二级的最终 出口温度为5 5 ，没有应用冷却器。 2 3 5 级内损失 总能量头a h t o t 、漏气损失彳办腩、与轮阻损失彳 形。 叶轮对流过它内部每公斤质量气体作功为a h t h ，由于其内部的实际流量m7 为有效 流量m 与轮盖漏气量m l k 之和，因此叶轮对流过它内部的气体所作功率为 m a h t h = m a h t h + m l k a h t h( 2 4 9 ) 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n d f , 因此可得 到叶轮的总功率 n t o t = m a h t h + m l k a h t h + n d f ( 2 5 0 ) 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。 鲁= 觇+ 鲁她。+ 鲁 。2 髓， 式中各项说明： 鲁砜是漏气损失功率，尬励办历分摊给单位有效流量m 的数值，称为轮盖漏气 损失觇 丝m 是轮阻损失功率，矽分摊给单位有效流量m 的数值，称为轮阻损失 导是叶轮对气体所作的总功率分摊给单位有效流量的数值，称为叶轮的总能量头 朋 觇 于是上式变为 a h t o t = a h t h + a h l k + a h d f ( 2 5 2 ) 1 6 ， 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 则 令轮盖漏气损失系数为玩= 甓 令轮阻损失系数为励= 瓮 而级的总功率为 2 3 6 柏努力方程式 h t m = q + p 幢+ p 够) 刖r t t h ( 2 5 3 ) = m 她。，= ( 1 + 玩+ 办) m a h ，h ( 2 5 4 ) 柏努力方程式如下： r2 一p 2 ，一。 ，：h 砌+ ! l - 二! 王+ 彳办蕊 ( 2 5 5 ) ? 2 f 一 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- 勿，提高气体的速度能蔓 i 以及消耗i i 至e e 的损失彳办麓。 i 二 关于柏努力方程式的说明 ( 1 ) 尽管柏努力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，柏努力方程清楚地把机械功l 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，但我 们要尽量降低损失。 ( 2 ) 把柏努力方程应用于叶道内部实际流量m7 的单位质量、并取截面1 1 为i i 、2 2 为e e 、此时l = d h t h ，得 h t h = 舾+ 生 + ( 2 5 6 ) l 。 把上式与欧拉第二方程相比较，得 甜2 2 一“1 2 h 2 一w 2 2 一- r 一 22 - 1 7 - ( 2 5 7 ) l 咖 4 + k： = 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 生盈+ w 1 2 - - w 2 2 22 ( 2 5 8 ) 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 下的垒；笠项则称为动能头。 - ( 3 ) 把柏努力方程用于固定元件，例如扩压器，此时取3 3 为i - - i ，4 - - 4 为e e ， 又固定元件没有功加入，故1 = o ， 0 = k + 拿竽+ 崭 ( 2 5 9 ) 或生：k + 崭 ( 2 删 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 ) 把柏努力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 a h 幻，：k + 拿 刊 ( 2 6 1 ) i 二 2 3 7 丙烷气压缩机内泄漏计算 压缩机的轴端密封以及平衡盘密封我们常常采用迷宫密封，迷宫密封实际是由多个 节流环组成，由于在这些部位密封的两端的压差较大，因而需要较多的齿数。 在气体流过迷宫密封的梳齿时，在梳齿尖端的狭缝( 环型面积) 中膨胀加速。可以 把它看作是一个等熵膨胀过程，此时压力降低而速度增高。而在两密封齿中间的小室内 气体的状态变化看作是等压滞止过程。此时沿等压线加热，其焓值增加。从整体看，气 体经历的是等焓节流过程。考虑到气体的可压缩性后，每个梳齿上的压力降不能再看作 。 相等，而是愈到后面的梳齿，其压力降愈大。 迷宫密封的径向间隙舀可按下式选定。 ：+ t d n o m s e a l 【m m 】(262)gtg c 6 2 2 + 矿 【衄j 2 g c 为轴承轴颈间隙 ：1 7 o n o m b e a r i n g m m 】( 2 - 6 3 ) g c 2 而万一 【衄j 经过迷宫密封后泄漏的气体重量流量g 为： - 1 8 - 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 g = 9 0 4 k a k g h 】 ( 2 6 4 ) 式中：o n o m b e a r i n g ：压缩机支撑轴承直径 i 姗】； o n o m s e a l ：压缩机密封名义直径【i 衄】； a 密封之环形面积； a ：万o n o m 黝z 要 e r a 2 ( 2 6 5 ) 二 p m 密封上游之压力 k g c m 2 ； v m 密封上游之比容 m 3 k g ： 9 密封上游与下游之压比； n 密封齿数目； k 修正系数。 对于阶梯形密封k = 1 m c l 4 0 2 丙烷气压缩机平衡盘采用阶梯齿结构，详见图2 4 。 k = 1 o n o m b e a r i n g ：q 7 0 m m o n o m s e a l ：9 2 7 5 m m p m ：15 2 7 a t a 对于平直密封： 图2 4 新产品平衡盘密封 f i g2 4e q u a l i z e rs e a lo f t h en e wp r o d u c t 式中；万密封半径间隙【i t m l 】； 七：1 + 1 4 1 【1 1 1 1 1 1 】 ( 2 6 6 ) i - 1 9 - 东北大学工程硕士学位论文第二章丙烷气压缩机的理论研究和设计 f _ 一密封齿距【m m 】。 级间泄漏，、平衡盘密封均采用拉别令密封，轴端密封也采用拉别令密封。平衡盘 密封的泄漏占的比重较大，一般都将该泄漏量引到本压缩机缸体之入口处，因此除了各 级流量应相应增大外，还应考虑其入口焓或温度的升高；这里假定平衡盘的泄漏量为 g l ，气体的焓值为h l ，首级原设计流量为g ，气体焓值为h ，两者混合后的焓值可以 通过下式计算： h ：g h + g l h l ( 2 6 7 ) g + g l 混合后的流量g 1 - - g4 - 吼 混合后的压力应为原来的压力p j 。那么由脚，尸j 就可决定温度 ，比容刃等。 由尸j ，t 1 ，c 1 ，h i ，g 1 作为级的设计入口参数进行压缩机的逐级设计计算。 泄漏气体之焓值h l ，可以近似等于密封前的焓值。同样各级叶轮轮盖的密封也可 按上述方法处理。当压缩的介质是理想气体，则计算式中的焓可以用温度取代，即： t 1 ：g t + g l t l ( 2 6 8 ) g + 吼 平衡盘密封下游压力，一般认为等于缸体之入口压力，这是一种近似的处理方法， 实际上由于回气管有压力损失，回气管的速度越高，压力损失就越大，因而不等于压缩 机缸体的入口压力，一般来说，当回气管的速度大于2 0 m s 就应考虑这一影响，特别是 平衡盘下游压力的升高，引起了轴向推力的增加，就更应注意到。平衡盘泄漏引起的压 力损失，可以参照有关资料进行。一般认为，在低压压缩机中，这种压力损失大约为 0 2 k g c r n 2 以下。 式中：万密封半径间隙：0 4 5 m m ： 卜一密封齿距：5 m m 。 表2 7 泄漏量 t a b l e2 7l e a ko u tq u a n