（机械工程专业论文）合成二车间空气压缩机改造方案的研究.pdf

产： 摘要 f j 1 i r l r r l r l i j i 916 中国石油宁夏石化分公司第二套大化肥装置是从加拿大l a m t o n 厂 购回的二手闲置装置，1 9 9 9 年9 月底正式投产。由于该套装置核心设 备之一空气压缩机组存在着打气量不足、效率低、能耗高等缺陷，空 气压缩机组己成为提升我公司合成氨生产能力的瓶颈，其扩能改造工 作已提到议事日程。本文结合空气压缩机组扩能改造工程，与合作单 位一起对改造方案进行了系统分析研究： 1 )分析了空压机组目前的运行状况和存在的主要缺陷，并探讨 了空压机组扩能改造的必要性。 2 )提出两种改造技术方案，并对两种改造方案进行了热力设计 和计算结果的比较分析。 3 )对空压机组叶轮强度和转子临界转速进行了分析与计算。 4 )对提出的改造方案进行了模拟校核分析。 5 )对叶轮进行了三元流场分析，并编制了相关程序，以期在今 后的机组改造过程中应用。 提出了具体改造实施的过程中建议意见。 关键词：合成车间，压缩机，流场 ，一、 ，j c o n s u m p t i o na n de t c t h ea t m o s p h e r ec o m p r e s s o rb e c a m et h ep r o d u c t b o t t l e n e c ki no u rc o m p a n y t h ee n l a r g ea n da l t e r n a t i o np r o j e c ti sp u t i n t oa g e n d a i n t e g r a t i n gw i t ht h ep r o j e c tt h i sp a p e rg i v eas y s t e m a t i c m a a l y s i so ft h ea l t e r n a t i o np r e c e p t ： 1 ) a n a l y s i sc u r r e n tr u n n i n gp e r f o r m a n c ea n db u g so f t h ea t m o s p h e r e c o m p r e s s o r , a n dd i s c u s e st h en e c e s s i t yo ft h ee n l a r g ea n da l t e r n a t i o n p r o j e c t 2 ) p r o m p t t w oa l t e r n a t i o n p r e c e p tg i v e o u tt h e i r e n e r g e t i c t h e r m o d y n a m i c sd e s i g n a n da n a l y s i st h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o n 3 ) a n a l y s i sa n dc a l c u l a t e st h ei m p e l l e r si n t e n s i o na n dt h er o t o r s c l i t i c a lr o t a t es p e e do ft h ea t m o s p h e r ec o m p r e s s o r 4 ) p r o o f r e a da n da n a l y s i st h ep r e c e p tp r o m p t e d 5 ) a n a l y s i st h ei m p e l l e r st h r e ed i m e n s i o n sf l o wf i e l d ，a n dp r o g r a m t h em e t h o d ，w h i c hc a nb eu s e di nt h ea l t e r n a t i o np r o j e c ti nt h ef u t u r e 6 ) g i v eo u ts o m ed e t a i ls u g g e s t i o nf o rt h ei m p l e m e n to ft h ep r o j e c t ke yw o r d s ：c o m p o s i n gw o r k s h o p ，c o m p r e s s o r , f l o wf i e l d -，o、 论文 目录 目录1 第一章绪论3 1 1 引言3 1 2 机组概况4 1 3 国内外发展现状吲5 1 4 本论文的任务6 第二章运行状况及存在缺陷7 2 1 机组运行状况7 2 2 机组存在的缺陷8 2 2 1 原始设计及制造上的缺陷8 2 2 2 长期运行及闲置所造成的缺陷1 0 2 3 提高压缩机能力的措施1 1 第三章热力设计1 3 3 1 改造总体方案1 3 3 2 数学模型的建立7 3 m 3 1 4 3 2 1 热力设计约束条件1 4 3 2 2 进、出口参数的确定1 4 3 2 3 定熵指数与气体常数的确定1 5 3 2 4 多变效率的确定1 5 3 2 5 叶轮流道参数确定1 6 3 2 6 扩压器流道参数确定1 7 3 2 7 弯道和回流器流道参数确定1 8 3 3 设计程序1 8 3 4 流道计算结果分析1 9 第四章叶轮强度及转子临界转速分析2 7 4 1 叶轮强度分析盯m ：2 7 4 2 转子临界转速分析n 8 1 m 1 3 3 4 2 1 第一临界转速3 3 论文 4 2 2 第二临界转速的计算与分析3 8 第五章模拟实验分析4 5 5 1 引言4 5 5 2 模拟核算数学模型2 4 6 5 2 1 流道损失法4 6 5 3 输入数据的整理4 9 5 4 模拟核算结果及分析5 0 第六章三元叶轮流场分析5 5 6 1 引言5 5 6 2 三元流体理论的现状与发展2 2 m 驯5 5 6 3 数学模型的建立3 2 制5 7 6 3 1 流场约束条件的确定5 7 6 3 2 坐标系的选取5 7 6 3 3 基本方程的建立5 8 6 3 4 流场的简化5 9 6 3 6 流场的求解过程6 l 6 4 计算程序6 3 6 5 计算实例6 5 第七章结论7 0 参考文献7 2 致谢7 4 2 中后期投资建设的大化肥 的第一套大化肥装置，年 后，随着企业的不断发展 与壮大，根据我国化肥市场的需求、供给关系及产品结构的详细分析，宁夏 石化分公司决定再投资兴建一套大化肥装置。1 9 9 9 年9 月底，第二套大化肥 装置正式投产。该套装置以陕、甘、宁气田的天然气为原料，产品为大颗粒 尿素，其设计能力为年产合成氨3 0 万短吨( 约2 7 3 吨) ，尿素5 2 万吨。合 成氨装置是从加拿大l a m t o n 厂购回的二手闲置装置，其设计能力为日产 合成氨1 0 0 0 短吨( 约9 0 7 2 吨) 。该合成氨装置系六十年代美国凯洛格 ( k e l l o g g ) 公司所设计的第一、二代大型合成氨装置，其工艺流程与我 国七十年代引进的几套k e l l o g g 型合成氨厂的工艺流程基本相同。由于该 套装置在原始安装及投产过程中已将些主要静设备进行了扩能技术改造， 因此作为该套装置核心设备的几台大机组的工作能力便显得尤为滞后，均存 在改造的必要，尤其是其中的空气压缩机组( 1 0 1 j j t ) ，属于美国d e l a v a l 公司六十年代设计生产的最早的一批产品。自1 9 9 9 年9 月底试生产以来，经 实际运行表明，该机组存在着打气量不足、效率低、能耗高等缺陷。为适应 我厂提出的今后日产千吨氨的需要，该机组必须进行改造。 高、低压缸 主冷凝器、 速脱扣保护 机的入口风 向合成氨装 的气量，做 为整个装置的仪表空气使用，其工艺流程较为复杂。以下，将分别列出透平、 压缩机、增速机的有关设计参数，以供参考1 1 1 2 1 3 1 。 表1 1 蒸汽透平( 1 0 1 j j t ) 设计参数 序 参数单位设计值 口 丐 1 功率 k w6 4 6 2 2 2蒸汽压力 巴a a 3 8 3 4 2 2 ( 最大) 3 蒸汽温度 3 2 1 3 9 8 ( 最大) 4 蒸汽流量 tth r 3 2 3 3 3 4 ( 最大) 5 转速 t | m i n6 7 0 0 6 临界转速 r r a i n 第一临界4 1 0 0 第二临界9 2 0 0 7 脱扣转速 r r a i n7 7 4 0 8 可控转速 r r a i n 4 7 0 伊一7 0 3 5 9 调速器调速范围7 0 一10 5 1 0 型号 k j i ) f m v 1 1 级数 8 1 2 主冷器真空度 m p a a0 0 0 8 6 8 4 表1 2 增速机( 1 0 1 j o ) 设计参数 4 论文 序 参数单位设计值 口 丐 1额定功率k w 4 1 8 3 4 2输入转速t | m i n6 7 0 0 3 输出转速 r | m i n1 0 8 5 0 4 速 比 1 ：o 6 1 7 5 5 润滑油入口压力 m p a a0 0 7 咖1 0 5 6润滑油入口温度4 3 3 叫8 9 表1 3 压缩机( 1 0 1 j ) 设计参数 序低压缸高压缸 参数单位 号一段二段三段四段 1 入口压力m p a a 0 1 0 1 0 2 0 30 4 6 41 2 6 2 2 入口温度 3 3 32 9 42 9 42 9 4 3 出口压力 m p a a0 2 3 80 4 8 51 2 9 73 3 7 5 4 出口温度 1 4 0 6 1 2 3 3 1 6 8 3 1 6 8 3 5 设计流量 k g h r 4 7 0 3 3 1 4 6 8 8 1 64 6 6 0 4 04 5 9 9 7 1 6 额定功率 k w2 7 1 4 33 6 6 8 8 续表1 3 7 平均多变效率 7 8 5 3 7 6 1 0 8 型号 4 c k l3 0 2 0 7 c k l1 4 8 9定熵指数1 41 4 1 0 转速 r m i n6 7 0 0 1 0 8 5 0 1 l 旋转方向顺时针逆时针 1 3 国内外发展现状4 1 1 5 i 大化肥压缩机广泛采用的是离心式压缩机，以输送空气、氮气、氧气、 原料气、合成气、氨气、二氧化碳气等气体，其特点是：大流量、高压比、 高转速、大功率、单系列、长周期、防爆防腐。目前，我国3 0 万吨大化肥装 置中所采用的五大离心式压缩机组几乎都是进口，设计制造厂家包括世界上 论文 所有著名的离心式压缩机制造公司，如d e l a v a l 、c l a r k 、德马克、新比 隆、三菱重工、日立等。随着气体动力学的研究与发展，使离心式压缩机的 效率不断提高，又由于高压密封、多油楔轴承等关键技术的研究成功，解决 了离心式压缩机向高压力、宽流量范围发展的一系列问题。近几年，离心式 压缩机的应用范围不断扩大，向超高压、小流量的方向发展。目前，我国在 以往引进与消化的基础上，已逐步开始在个别领域有所创新，但与国际先进 水平相比，仍有一定的差距。 1 4 本论文的任务 本论文从我厂所急需的空压机组的改造入手，结合机组的改造目标，对 该机组中有代表意义的压缩机低压缸部分，从现有的一种改造方法和作者所 提出的另一种改造思路出发，做了如下工作：1 对空压机组目前的运行状况 进行了分析，以确定其必须进行扩能改造：2 对两种改造方法实现了热力设 计过程，并从热力计算结果上进行了对比与分析；3 对叶轮强度和转子临界 转速进行了分析与计算；4 对作者所提出的改造方案进行了模拟校核分析； 5 对叶轮进行了三元流场分析，并根据厂里的需要编制了相关程序，以期在 今后的机组改造过程中得以应用。 6 且很稳定，但由于宁夏地区的冷却水温、气象条件等均与加拿大不同，因此 压缩机的排气压力和打气量均较设计工况低，使其直接影响到合成氨装置的 产量。机组运行一年多来，我厂通过对该机组在不同季节和不同负荷下的能 力考核，直接验证了该机组已不能达到原设计要求。以下是节选自生产车间 的机组生产报表数据【6 】： 表2 1 空压机组生产报表数据 低压缸一段入 一段入四段出四段出流量 日期 转速 口压力 口温度 口压力 口温度备注 r m i nm p a akm p a ak k g h r 2 0 0 0 4 1l6 6 5 40 0 8 72 9 12 7 14 4 94 1 2 0 0 装置8 8 负荷 2 0 0 0 6 216 8 6 00 0 8 72 9 72 8 44 5 24 0 6 1 4 装置8 8 负荷 装置1 0 0 负荷， 2 0 0 1 1 46 8 4 3 0 0 8 72 6 1 2 8 5 4 4 l 4 6 1 0 0 仅持续约十小时 2 0 0 1 1 1 96 7 1 80 0 8 72 6 52 7 64 3 84 5 2 1 0 装置1 0 0 负荷 2 0 0 1 2 66 7 6 50 0 8 72 “ 2 7 7 4 3 64 5 0 2 8装置1 0 0 负荷 由生产车间所记录的运行数据可看出，该机组在夏季由于气温偏高，最 大负荷仅能达到8 2 左右，打气量在4 0 0 0 0 - - 4 2 0 0 0k g h r 之间；在冬季由于 气温偏低，打气量在4 5 0 0 0 - - 4 6 0 0 0k g h r 之间，但离该机组的设计打气量 4 7 0 3 3k g h r ，仍有一定的差距。此外，由于宁夏地区当地的大气压力较低， 7 高空气压缩机的 高该机组蒸汽透 从实际检修过程 的诸多缺陷。由 于整个空压机组的改造工作较为庞大，因此本论文仅针对压缩机部分的改造， 现总结、分析如下： 2 2 1 原始设计及制造上的缺陷 ( 1 ) 空气压缩机组压缩机部分低压缸转子的第一级叶轮采用的是半开式 叶轮。对于半开式叶轮来说，其优缺点如下表订1 ： 表2 2 半开式叶轮优缺点对照表 叶轮型式优点缺点 ( 1 ) 无轮盖，其侧间隙较大， ( 1 ) 强度高； 存在较大的内泄露损失； 半开式( 2 ) 叶片两边存在着压力差，使气流 ( 2 ) 容许的圆周速度高： 叶轮从一个叶道潜流至另一个叶道，引起 气流的附加损失； ( 3 ) 单级压比高。 ( 3 ) 效率较闭式叶轮低。 对于该空压机来说，在正常运行时，其低压缸第一级半开式叶轮的外径 圆周速率为u z 2 9 7 3 m s ，远未超过半开式叶轮所容许的3 2 0 一5 0 0m s 圆 周速率的范围，同时正常运行时的外径圆周速率，也在闭式叶轮所要求的圆 8 论文 周速率 0 0 3 时的叶轮，借助于已成熟的准三元 流动模型，采用主流区的三元、定常、无粘流动模型，并结合壁面附近的边 界层理论，可设计出三元扭曲叶片，由此可显著降低能耗3 一1 0 左右旧1 。目 前，这样的三元叶轮已能在多自由度铣床上加工，并在工业上已进入了实用 阶段。 ( 3 ) 回流器叶片、叶轮入口导流器叶片与叶轮叶片类似。虽然它们不是 直接的做工元件，但由于存在着叶片型线不合理、加工粗糟等问题( 此与运 行时间长也有一定的关系) ，使流道中的气体摩擦损失和预旋增大，恶化了流 道的工况条件，从而间接地影响了效率的提高。 2 2 2 长期运行及闲置所造成的缺陷 空压机组由于设计、生产的年代较早，投入使用后又闲置了许多年，因 此存在着不少的问题。从原始安装拆卸到投用后的几次检修实际情况来看， 压缩机部分存在着如下漏气的问题： ( 1 ) 外漏。压缩机的缸体从几次检修中实测发现，缸体己发生了微量变 形，其中高压缸缸体尤甚，由此造成了转子两侧轴封漏气。 ( 2 ) 内漏。缸体各隔板中分面无主动密封方式，只是靠上下隔板中分面 1 0 成的锈蚀及 的内漏，影 际生产需要 不足。提高 压缩机打气量的措施有以下两方面n 0 。： ( 1 ) 调整压缩机的操作参数。例如降低压缩机的进气温度、提高压缩机 的工作转速、提高压缩机的进气压力等。 经过该空压机组一年多来的实际运行表明，在其最大负荷下，不论是在 冬季( 降低压缩机的进气温度) ，还是提高压缩机的工作转速，亦或两者都满 足的条件下，打气量均在4 4 0 0 0 m 4 6 0 0 0k g h r 左右徘徊。此外，2 0 0 0 年8 月， 通过实施对压缩机进气道与合成氨装置的引风机( 1 0 1 b j ) 出口相连的措施， 使压缩机的进气压力提高至0 1 0 1m p a a ，但效果不很明显。2 0 0 1 年1 月份， 空压机组的打气量增加至4 6 0 0 0k g h r 左右【6 】。因此通过调整工艺条件来达到 日产千吨氨的目的是不可能实现的。 ( 2 ) 调整压缩机的几何参数，即对压缩机进行技术改造。 该空压机组经最大能力运行考核表明，是不能满足合成氨装置扩能改造 需要的，因此存在着对其进行改造的必要。改造的措施有减少漏气、优化转 子组件、重新设计流道宽度等。2 0 0 0 年1 0 月份，在对该机组进行年度大修 时，对压缩机转子两侧的轴封组件进行了结构改造，同时对各级隔板中分面 进行了修复，增加了主动密封方式。投运后表明改造是有一定的效果的，压 论文 缩机的打气量增加到了4 6 0 0 0k g h r 左右，但仍距该压缩机的设计值有1 0 0 0 k g h r 的差距，因此对该机组进行彻底的结构改造，便显得尤为重要。 此外，按照美国石油协会a p l 6 1 7 的标准，离心式压缩机的设计使用寿命 为2 0 年，我厂购回的二手设备在加拿大已使用了近1 8 年，停车至今又闲置 了7 年，因此该压缩机已接近设计使用寿命。 综上所述，该空压机组若要满足今后日产干吨氨的需要，必须对其进行 结构上的改造。 1 2 缸体外型尺寸 需要。以下列 保留之处改动之处 ( 1 ) 缸体；( 1 ) 级数： 压缩机( 2 ) 主轴；( 2 ) 叶轮； ( 3 ) 各段的划分。( 3 ) 隔板及回流器、导流器。 ( 1 ) 缸体； ( 2 ) 主轴；( 1 ) 叶片型线； 透平 ( 3 ) 级数；( 2 ) 叶片围带、拉筋的强度。 ( 4 ) 隔板。 由上表可见，一台离心式压缩机组改造的工作量是非常大的，由于篇幅 及笔者能力所限，现仅对有代表意义的压缩机低压缸进行改造设计及分析。 根据目前离心式压缩机的发展情况及现有条件来看，空压机低压缸现有 的两段四级采用两段五级的改造方法是可行的，这一改造方法已在我国辽阳 化肥厂于9 4 年的改造工作中实施。从改造后的机组运行情况来看，改造是相 当成功的，不仅满足了日产干吨氨的需要，而且达到了最高日产合成氨近 11 5 0 吨。 宁夏石化分公司2 0 0 0 年对该空压机组提出了改造要求，改造目标为同产 论文 3 2 数学模型的建立i 7 1 1 1 6 1 法，虽然行之有效，但由于需要投入大 成规模效益的装置是不明智的，因此改 大的特点，再结合目前合成氨装置的工 ，即该压缩机低压缸仍旧采用目前的两 轮改为闭式三元叶轮，其余三级叶轮也 理论上证明其可行性，尤其是作者所提 设计程序，分别对其流道进行了气动计 程序的编制及结果的分析这三方面，来 根据已知现有空压机低压缸的生产实际数据及各级的主要几何参数相对 值，采用效率法进行流道的热力设计和计算。 3 2 1 热力设计约束条件 ( 1 ) 流道中气流为定常、连续流动； ( 2 ) 不考虑气体的粘性影响； ( 3 ) 在离心式压缩机中，从外部加入的热量以及向外界放出的热量，通 常都略而不计； ( 4 ) 气流以无旋状态进入叶轮。 3 2 2 进、出口参数的确定 根据目前空压机低压缸的实际运行情况，结合改造目标，同时考虑到宁 夏银川地区的气候条件，拟订如下低压缸进、出口参数，具体见下表。 1 4 论文 表3 2 低压缸各段进出口参数 单位一段二段 流量 k g s 1 4 3 21 4 2 2 入口温度 k3 1 03 1 4 入口压力 m p a a0 0 8 7 3o 1 8 9 入口法兰直径 mo 7 1 1 20 5 8 1 5 出口法兰直径 m0 5 8 1 50 4 9 5 3 转速r m i n 6 7 0 0 3 2 3 定熵指数与气体常数的确定 考虑到空气中含有水蒸汽的影响，则空气的气体常数r 为： r = ( r 千爆气体+ x r 水蒸气) ( i + x ) ( 3 1 ) 其中x = ( r 干_ 气体0p 水蒸气) j r 水蕞气( p i 一o p , t o ( 3 2 ) 注：r , 1 气= 4 6 1 8 9 j ( k g k ) ，r 洲= 2 8 7 1j ( k g k ) 1 2 i ：相对湿度，银川地区可取o 8 。 p 水蠢气：水蒸气的分压力，在此处t 1 3 1 0 k 时， p 东蠢气4 7 9 3 p a 【1 2 】 空气的定熵指数为： k ( k 一1 ) = ( c p 干量气体+ x c p 求薰气) ( r 千- 气体+ x r 水薰气)( 3 3 ) 注：c p 干量气体= 1 0 0 4 8j ( k g k ) ，c p , r t = 1 8 8 4 0 6j ( k g k ) 经编程上机计算得：r = 2 9 1 5 5j ( k g k ) ，k = 1 3 9 5 3 2 4 多变效率的确定 空压机低压缸每一级的多变效率t 1 。的选定，是根据目前离心式压缩机 的发展水平而确定的。下面将分为两种改造方法，分别给出各级的多变效率 r l 。的数值。 1 5 论文 表3 3 低压缸采用两段四级布置所给定的各级多变效率 一段二段 第一级 第二级第三级第四级 多变效率r l 。， 0 8 30 8 20 8 l0 8 0 表3 4 低压缸采用两段五级布置所给定的各级多变效率 一段二段 第一级第二级第三级第四级第五级 多变效率n 。 0 8 3o 8 2 0 8 l o 8 00 8 0 3 2 5 叶轮流道参数确定 ( 1 ) 根据现有设备的几何尺寸，在满足叶轮强度许可的范围内，给定叶 轮外径d ：、叶片厚度6 、轮毅直径d 、叶轮口环密封齿数z 、轮盖密封间隙s 。 具体见下表：( 单位：m ) 表3 5 低压缸采用两段四级布置所预定参数 一段二段 项目名称 第一级第二级第三级第四级 叶轮外径d ： 0 8 1o 8 10 8 10 8 l 叶片厚度6 0 3 0o 2 80 2 80 2 8 续表3 5 轮毂直径d 0 。0 10 0 l0 0 10 0 l 叶轮口环密封齿数z 4444 轮盖密封间隙s 0 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 6 0 0 0 0 6 表3 6 低压缸采用两段五级布置所预定参数 l 项目名称 l 一段 l二段l 1 6 论文 第一级第二级第三级第四级第五级 叶轮外径d ： 0 8 20 8 20 6 80 6 8o 6 8 叶片厚度8 o 2 90 2 80 2 80 2 8o 2 8 轮毂直径d 0 0 10 0 l 0 0 0 80 0 0 8 0 0 0 8 叶轮口环密封齿数z 44 444 轮盖密封间隙s 0 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 60 0 0 0 6 ( 2 ) 叶片进口安装角 在目前对三元叶轮的加工条件下，叶片进口安装角可以与叶片进口气流 角基本相同，即：b 。= b 。 - t 9 1 ( 0 1 u 。) 、汴r ，柏 # 叶扮叶片前的谈唐1 l 柏叶扮寿卜解圃图谈庵 ( 3 ) 叶轮进口直径d 。，叶轮叶片进、出口宽度b 、b ：等诸参数的设计及 计算方法具体见参考文献 7 、 1 1 ，在此就不在一一列举。 3 2 6 扩压器流道参数确定 由于压缩机的工作介质是空气，因此本文在改造后同样选用具有适应工 况范围广等特点的无叶扩压器。此外，空压机的缸体尺寸已定，因此无叶扩 压器的入口直径尺寸随叶轮外径尺寸的变化而变化。在采用两段五级布置的 改造方案中，由于第二段增加了一级叶轮，叶轮外径d 。减小的幅度较大，因 此无叶扩压器的外径d 。也相应地减小。在这种情况下，低压缸第二段可增加 一个内缸体或各级隔板间增加一个过桥环板，以消除上述不利影响。 当b ：d ： o 0 4 时，取b 。b ：= 0 8 当b ：d ：o 0 4 时，取b 。= b 4 - b ： 当b ：d ：较小时，取b 。= b 2 + ( 1 2 m m ) n 3 3 1 7 论文 3 2 7 弯道和回流器流道参数确定 弯道和回流器的设计可参照目前空压机低压缸的布置形式，并根据实际 情况做出相应的调整。具体的设计和计算方法可详见参考文献 7 1 1 。 3 3 设计程序 空压机组在改造之前，为得到流道各部参数值，确定叶轮、无叶扩压器、 弯道、回流器的外形几何尺寸，需要对流道进行热力设计和计算。在本论文 中，作者采用适合于工程计算的f o r t r a n 7 7 语言n 钔，编译程序为 p o w e r s t a t i o n 4 0 版本n 钔，在w i n d o w s 9 8 环境下，对有代表意义的压缩机低 1 8 论文 压缸进行了编程上机计算。程序的主流程框图见图3 1 ，见下页。 3 4 流道计算结果分析 通过上机，对空压机低压缸的两种改造方法所分别进行的热力设计，得 到了一些主要的计算数据，现分别列表如下，具体见表3 7 和表3 8 。 表3 7 采用两段四级布置的低压缸热力计算结果 一段二段 序号项目名称 单位 第一级第二级弗二缎第四级 l叶轮入口直径 m0 5 1 60 4 8 50 4 4 10 4 2 0 2叶轮叶片入口直径m0 5 0 60 4 7 50 4 3 2o 4 1 0 3轮盖密封直径m0 6 0 40 5 5 30 5 2 00 5 0 0 4叶轮叶片入口宽度m0 0 8 80 0 7 40 0 5 90 0 4 9 5叶轮叶片出口宽度 m 0 0 4 60 0 4 20 0 3 20 0 2 5 6叶轮入口温度k3 0 5 23 5 4 03 1 3 63 6 2 0 一 7叶轮叶片入口温度k2 9 7 73 5 0 73 0 9 03 6 3 9 8叶轮出口温度k3 3 7 03 8 9 83 4 8 94 0 4 3 9叶轮入口压力p a8 3 0 4 31 3 3 3 5 01 9 0 9 5 23 0 5 3 3 3 1 0叶轮叶片入口压力p a8 1 1 8 91 3 1 2 1 11 8 9 1 5 93 0 2 0 9 5 1 1叶轮出口压力p a1 1 6 7 2 71 7 8 2 8 82 6 7 8 3 23 9 6 7 5 6 1 2叶轮入口气流速率m s1 0 9 19 7 18 2 17 3 6 1 3叶轮叶片入口气流速率m s1 2 8 91 1 5 99 9 99 0 7 1 4叶轮出口气流速率 m s 2 0 3 41 9 7 41 9 7 22 0 4 0 1 5叶轮出口圆周速率 m s 2 8 4 22 8 4 22 8 4 22 8 4 2 1 6叶片数1 91 91 71 7 1 7叶片入口安装角 度 3 6 03 4 8 3 3 4 3 2 1 1 9 论文 1 8 叶片出口安装角度5 54 9 4 3 4 7 1 9 扩压度1 5 9 5 51 5 8 4 2 1 6 0 1 0 1 6 0 6 2 2 0叶轮进口马赫数 o 6 30 5 4o 5 1 0 4 4 2 1 叶轮出口马赫数 o 5 5o 5 0o 5 2 0 5 0 2 2叶轮出口流量系数 o 3 2o 2 70 2 10 2 0 2 3叶轮叶片进口阻塞系数o 9 0 0 9 10 9 l0 9 0 2 4 叶轮叶片出口阻塞系数 0 9 3o 9 2 0 9 lo 9 2 2 5总内功率k w 2 9 7 5 7 2 6总耗功 j l k g 5 0 4 3 5 5 0 7 2 95 3 2 0 35 4 9 2 1 2 7扩压器入口直径m o 8 3o 8 3o 8 3o 8 3 2 8扩压器出口直径m 1 4 l1 4 11 3 5 1 3 5 2 9扩压器入口宽度m 0 0 4 6 60 0 4 4 80 0 3 5 2 0 0 3 2 0 3 0扩压器出口宽度 m0 0 4 6 60 0 4 4 80 0 3 5 2 0 0 3 2 0 3 l扩压器出口温度 k3 5 2 24 0 1 53 5 3 2 4 1 3 8 3 2扩压器出口压力 p a1 3 2 8 7 91 9 2 2 0 0 3 0 0 4 7 04 1 4 0 9 3 3 3扩压器出口气流速率 m s9 4 4 29 2 3 79 5 1 0i 0 1 3 0 3 4回流器入口直径m 1 4 11 3 5 3 5回流器出口直径m 0 5 80 5 1 续表3 7 3 6 国流器入口宽度 m0 0 6 6 1 0 0 4 9 2 3 7 回流器出口宽度 m0 0 8 0 1 0 0 6 9 5 3 8回流器出口温度 k3 5 4 03 6 2 0 3 9司流器出口压力 p a1 3 4 8 7 4 2 9 7 6 3 7 4 0 司流器出口气流速率m s 8 1 2 3 1 1 0 1 4 1排气温度 k 4 0 8 94 2 4 7 论文 4 2 排气压力 p a 2 0 0 7 6 7 4 3 7 3 8 6 4 3 总损失系数 1 0 1 5 9 1 0 2 0 9 1 0 3 4 31 0 4 2 9 4 4指数系数 2 9 32 9 02 8 62 8 3 4 5反作用度 o 7 60 7 50 7 30 7 0 表3 8 采用两段五级布置的低压缸热力计算结果 序 单一段二段 项目名称 口 位第一级第二级第三级第四级 第五级 丐 1叶轮入口直径 m0 5 1 50 4 8 40 4 4 40 4 2 60 4 1 5 2叶轮叶片入口直径m0 5 0 40 4 7 40 4 3 50 4 1 70 4 0 7 3轮盖密封直径m0 6 0 40 5 5 30 4 8 40 4 8 50 4 4 2 4叶轮叶片入口宽度m0 0 8 70 0 7 40 0 6 00 0 5 10 0 4 7 5叶轮叶片出口宽度 m0 0 5 60 0 5 4 0 0 4 40 0 3 60 0 3 0 6叶轮入口温度k 3 0 5 23 5 3 93 1 3 63 4 0 53 7 8 5 7叶轮叶片入口温度k 2 9 7 53 5 6 33 0 9 53 4 5 73 8 3 5 8叶轮出口温度k3 3 8 83 9 1 53 3 7 0 3 7 3 44 1 1 1 9叶轮入口压力p a 8 2 9 6 71 3 3 0 8 41 9 2 1 7 9 2 6 3 1 8 1 3 5 3 1 2 2 1 0叶轮叶片入口压力p a 8 0 9 8 11 3 7 5 1 91 9 0 0 1 42 6 0 7 0 43 4 9 4 4 2 1 1叶轮出口压力p a1 1 8 5 8 41 8 0 4 4 72 4 2 3 9 03 2 4 2 3 14 2 5 3 9 8 1 2叶轮入口气流速率 m s 1 1 0 o9 7 78 0 57 6 7 7 0 8 1 3叶轮叶片入口气流速率 m s 1 3 0 91 1 6 19 4 8 9 0 88 4 4 1 4叶轮出口气流速率 m s1 9 3 11 9 0 11 6 1 61 6 6 11 7 0 7 1 5叶轮出口圆周速率 m s2 8 7 72 8 7 72 3 8 62 3 8 62 3 8 6 1 6叶片数 1 91 91 71 71 7 1 7叶片入口安装角 度 3 6 33 5 13 1 93 1 83 0 6 2 l 论文 1 8叶片出口安装角 度 4 4 3 74 44 75 1 1 9扩压度 1 6 6 8 11 6 6 3 9 1 7 0 1l 1 7 0 4 31 6 9 3 5 2 0叶轮进口马赫数o 6 3o 5 3o 5 l0 4 60 4 2 2 l叶轮出口马赫数0 5 2o 4 80 4 40 4 30 4 2 2 2叶轮出口流量系数0 2 50 1 90 2 40 2 40 2 5 2 3叶轮叶片进口阻塞系数 0 9 0o 9 0 0 9 00 9 00 8 9 续表3 8 2 4叶轮叶片出口阻塞系数o 9 3 o 9 2 o 9 2o 9 3o 9 3 2 5总内功率 k w 2 9 6 4 3 ， 2 6总耗功 7 k g5 1 0 6 1 5 1 9 2 43 3 7 1 93 5 6 2 33 7 8 7 1 2 7扩压器入口直径m0 8 3 80 8 3 80 6 9 90 6 9 90 6 9 9 2 8扩压器出口直径m1 4 11 4 l1 2 61 2 61 2 6 2 9扩压器入口宽度m0 0 4 6 6 0 0 4 8 80 0 3 7 50 0 3 2 00 0 2 5 6 3 0扩压器出口宽度 m0 0 4 6 60 0 4 8 8 0 0 3 7 50 0 3 2 00 0 2 5 6 _ 3 1扩压器出口温度k3 5 2 04 0 1 83 4 7 03 7 4 84 1 3 8 3 2扩压器出口压力p a1 3 2 6 4 41 9 4 5 8 02 6 3 7 0 43 2 7 5 6 84 3 3 4 0 1 3 3扩压器出口气流速率m s9 4 89 2 67 0 27 7 97 9 0 3 4回流器入口直径m1 4 11 2 61 2 6 3 5回流器出口直径m0 5 8 4o 5 1 40 4 6 1 3 6回流器入口宽度m0 0 6 6 10 0 4 9 20 0 4 0 5 3 7回流器出口宽度m0 0 8 0 10 0 6 2 10 0 5 2 3 3 8司流器出口温度k3 5 3 93 4 0 5 3 7 8 5 3 9回流器出口压力p a 1 3 4 7 7 22 4 9 8 6 63 3 6 6 8 9 4 0匐流器出口气流速率 m s 8 0 7 1 3 7 01 3 1 7 4 1排气温度k4 0 9 2 4 2 5 4 ，2 2 论文 4 2排气压力p a2 0 5 1 2 24 6 8 4 9 5 4 3总损失系数1 0 1 6 01 0 2 0 91 0 1 8 81 0 2 2 61 0 2 5 7 4 4指数系数 2 9 32 9 02 8 62 8 32 8 2 4 5反作用度o 7 60 7 3 0 7 6o 7 40 7 l 经过计算，我们得到了在达到相同流量的情况下，两种不同的改造方法 具有不同的计算结果。在此，将采用两段四级布置的方法称为第一种改造方 法，将采用两段五级布置的方法称为第二种改造方法。以下，对这两种改造 方法的设计计算结果进行分析。 ( 1 ) 流场计算结果分析 表3 9 采用两段四级布置 一段二段 序号项目名称 第一级第二级第三级第四级 l各级压力比值1 5 41 5 41 5 11 5 3 2各段压力比值2 3 02 3 2 3低压缸压力比值5 3 5 4 各级温度差值 4 8 85 4 94 8 46 2 7 5各段温度差值1 0 3 6 811 1 1 4 表3 1 0 采用两段五级布置 序一段二段 项目名称 口 第一级第二级第三级第四级 第五级 丐 1各级压力比值1 5 41 5 4l - 2 91 3 11 3 6 2 各段压力比值 2 3 52 3 7 3低压缸压力比值5 3 7 论文 4各级温度差值 4 8 75 5 32 6 9 3 8 o4 6 9 5各段温度差值1 0 4 01 1 1 8 4 由上表及得到的计算结果来看，从总体上两种改造方法在压力、温度方 面的分布基本相同，均达到了预期的改造目的。其中在一段由于两种方法均 采用两极布置，因此它们的计算结果相差很小，从叶轮入口0 - 0 截面到回流 器出口的6 - 6 截面，压力、温度、速度分布均匀且合理，流道阻塞系数、流 量系数、总损失系数、反作用度、扩压度、叶轮进出口马赫数等均在正常范 围内，气流平缓而均匀。 两种改造方法在二段中的计算结果有一定的差距，这主要是由于第二种 方法在二段中增加了一级叶轮所致，因此两种方法虽然过程有所偏差，单它 们的结果基本吻合。由于第二种方法增加了一级叶轮，使得压缩机的工作潜 力有所增大，可适应更大的工作负荷。 ( 2 ) 从耗用功率上分析 从耗用功率上看，目前在用的空压机低压缸所耗用的功率为2 6 6 9 1k w ， 若采用第一种方法，则低压缸所耗用的功率为2 9 7 5 7k w ，而采用第二种方 法，低压缸耗用功率为2 9 6 4 3k w ，前者增长了约1 1 1 4 9 倍，后者增长了约 1 1 1 0 6 倍，可见两种改造方法相差不大，均可接受。 ( 3 ) 改造后的结构分析 从改造后的缸体及转子等动静部件改动程度上看，两种改造方法在一段 的结构布局基本相同，但均需重新布置隔板组件、更换叶轮等。在二段结构 布局上，两者相差较大，这是由于若采用两段五级布置后，由于增加了一级 叶轮，因此除隔板组件、叶轮等重新设计制作外，还由于叶轮及扩压器流道 的缩短，使得二段缸内直径方向空间富裕较多，为消除此缺陷，可在二段缸 2 4 论文 ，或是在二段各级隔板之间增加过桥环板。 ( 4 ) 改造投资分析 从改造投资上看，由于二段增加了一级叶轮和内缸体等组件，使得第二 种改造方法的投资肯定较第一种的要多，而且第二种改造方法需要将缸体进 行加工，由于宁夏地区无此加工能力，因此缸体需运至外省有此加工能力的 周边地区，这样不仅费工费力，而且改造周期长，使得装置在较长时间内停 产，直接影响到企业的经济效益，大幅增加改造成本。而第一种改造方法则 无须对缸体进行加工，只要事先将备用转子改造成功，且将各级隔板按需要 进行重新制作外，其余的就等该机组年度大修时，将新转子和新隔板进行更 换即可结束，不用担心因此而拖延或影响装置的生产。由此可看出，第一种 改造方法在改造投资和改造周期上，较第二种方法占有明显的优势。 ( 5 ) 改造姑黼 从目前的热力设计计算结果上看，虽然两种改造方法的计算结果相差不 大，但相比之下，由于第二种改造方法增加了一级叶轮，使得低压缸出口压 力提高幅度的潜力较第一种方法的大，从而使压缩机的能力提高，可大幅增 加打气量。此外，第二种方法目前已有了成功的改造先例，因此从可预见的 改造效果上看，第二种改造方法的改造效果较第一种的大，且把握性也较第 一种的大。 综上所述，两种改造方法在热力设计过程及结果上虽有不同，但可认为 是殊途同归。在其它方面，两种改造方法各有优势，但第一种改造方法在改 造投资及周期上占有明显的优势，且改造效果也不会相差甚远，因此第一种 改造方法是完全可以实现改造目的的。 速分析 的外形尺寸，据 量较多，因此在 较大的第一级叶 轮进行强度分析，若其强度合格，则可保证后几级叶轮的的安全性。本文采 用工程中常用的二次计算法进行叶轮的强度分析。 已知条件：空压机低压缸采用两段四级布置的改造方法后，其第一级叶 轮结构简图如下图5 1 所示。轮盘与叶片为整体铣削，而与轴为过盈配合。