MCL457离心压缩机结构设计说明书.doc

2MCL457离心压缩机结构设计东 北 大 学2011年6月Design of 2MCL457 centrifugal compressorNortheastern UniversityJune 2011毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：2MCL457离心压缩机结构设计设计(论文)的基本内容：一、设计工作图一套：总计折合4张0#图。其中包括：1、2MCL457离心压缩机总装配图1张0#；2、上壳体零件图1张0#；3、下壳体零件图1张0#；4、其他零部件图，折合共计一张0#。二、设计文件一套：其中包括：设计说明书、设计计算、专题部分、参考文献列表、外文翻译（原文、译文）。 毕业设计（论文）专题部分：题目：单轴多级离心压缩机转子的制造与质量控制研究基本内容：一、叶轮的加工方案及质量控制。二、主轴的加工。三、转子动平衡方案的选择。学生接受毕业设计（论文）题目日期 指导教师签字： 年 月 日2MCL457离心压缩机结构设计摘 要压缩机是用以提高各种气体压力的一种通用机械，是机械工业中量大面广的产品之一。在国民经济许多部门中得到十分广泛的应用，几乎遍及工业、农业、交通运输、医疗卫生、国防、科研乃至人民生活的许多领域，尤其是在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的动力设备。离心式压缩机主要应用于石油化工等领域，并且是石化装置中最关键最核心的设备之一，设备的可靠运行对整个石化装置的意义非常重大。本课题主要是针对目前国内石化行业对离心式压缩机的需求，完成2MCL457型离心式压缩机的结构设计，并在压缩机的结构、效率等方面做一些优化和完善的工作，特别是对转子的制造和质量控制方面进行探究，以提高压缩机的性能水平和设计水平。首先，对压缩机结构方案进行验证、选择，其中要进行压缩机结构型式的选择。然后，完成技术选择和压力比的分配，进而确定压缩机的叶轮的主要参数。从而确定压缩机整体的主要技术参数，再根据所得参数，计算出所需功率及电机轴功，选配电机。根据给定的设计目标和相关标准要求，参考相关文献和资料进行设计计算，确定2MCL离心压缩机的基本参数，进而进行结构设计和强度校核。在此基础上，完成产品的工程图纸，并完最终成产品设计。其中，重点是对提高转子的制造质量进行探究，并在设计中予以关注。关键词：空气压缩机；离心式；2MCL型；结构设计Design of 2MCL457 centrifugal compressorAbstractCompressor is used to increase the pressure of various gases as general machinery; the machinery industry is one of widely used products. Compressor in the national economy in many sectors are very widely used, almost every industry, agriculture, transportation, health care, national defense, scientific research and even in many areas of peoples lives. Especially in the chemical, synthetic, coal, petroleum, construction, marine engineering, power equipment is essential. centrifugal compressor is mainly used in petrochemical industry, petrochemical plant and is the most critical one of the core equipment, equipment installation and reliable operation of the entire petrochemical very significant.The design should first conduct a literature search, access to relevant information and compressor references to verify the program on the compressor structure, options, including the 2MCL457 centrifugal compressor structure type selection and the choice of sports organizations. Especially in order to improve the performance level of the compressor and the design lever, experts explore the manufacture quality of the rotor.First, designers should select and validate the compressor structure program, which to conduct the selection of structure type compressor. Then, the technical choices and the distribution of pressure ratio determine the main parameters of the compressor impeller. designers calculate the required power and matching motor, then select the motor shaft power, according to the main technical parameters of the compressor as a whole and the basis of the parameters.According to a given design goals and related standards, reference documents and information related to the design calculations to determine 2MCL457 centrifugal compressor basic parameters for the structural design and strength check. On this basis, the completion of engineering drawings, and eventually into a complete product design. Also, focusing on the manufacture quality of the rotor.Key words: Air compressor; centrifugal type; 2MCL-type; structural design目 录毕业设计（论文）任务书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 压缩机简介11.1.1 压缩机的分类11.1.2 压缩机的用途31.2 国内外发展现状41.2.1大流量离心压缩机研究现状41.2.2小流量离心压缩机研究现状71.2.3 压缩机的新发展71.3 本课题研究的意义与内容9第2章 工作原理与结构设计112.1 离心压缩机的工作原理112.1.1 离心压缩机的主要特点112.2 压缩机的结构设计及方案选择122.2.1离心式压缩机的主要结构12第3章 主要技术参数的设计与计算143.1 级数选择和各级压力比的分配143.1.1 级数的选择143.1.2流量系数的选择143.1.3理论能量头的计算143.1.4轮阻损失与漏气损失系数比的选取153.1.5总能量头的计算153.1.6多变效率pol的选取163.1.7各级压力比的选择163.2 叶轮主要参数的确定173.3 工作气体各个参数的确定以及电动机的选择173.3.1 各级出口压力的计算173.3.2 出口温度的计算183.3.3 各级进口流量及出口流量的计算183.3.4 等熵指数的kv2选取193.3.5 叶轮出口相对宽度的计算193.3.6 电机的选择203.4 主轴的校核20第4章 单轴多级离心压缩机转子的制造与质量控制研究（专题）224.1 转子的简介及组成224.2 叶轮的加工方案及质量控制224.2.1缺陷的类型和分析224.2.2缺陷处理方法的探讨234.2.3补焊处理244.3主轴的加工254.3.1主轴的特点254.3.2主轴的材料264.3.3主轴的加工264.3转子动平衡方案的选择264.3.1高、低速动平衡方案的确定274.3.2动平衡精度的确定28第5章 环保及经济性分析30第6章 结论31参考文献32致 谢34附 录35第1章 绪论1.1 压缩机简介压缩机是用以提高各种气体压力的一种通用机械，是机械工业中量大面广的产品之一。在国民经济许多部门中的道十分广泛的应用，几乎遍及工业、农业、交通运输、医疗卫生、国防、科研乃至人民生活的许多领域，尤其是在化工、合成、煤炭、石油、建筑施工、海洋工程等方面，更是必不可少的动力设备，并且是关键设备。因此，压缩机、泵、风机和电动机等四大类产品的设计制造水平，以及他们的运行经济性和可靠性，已被认为是衡量一个国家机械工业发展状况和水平的标志之一。1.1.1 压缩机的分类为了研究和应用的方便，一般将压缩机按照以下五种方式进行分类。（一） 按工作原理分类（1） 容积式压缩机直接对一可变容积中的气体进行压缩，使该部分气体容积缩小、压力提高。其特点是压缩机具有容积可周期变化的工作腔。（2） 动力式压缩机它首先使气体流动速度提高，即增加气体分子的动能;然后使气流速度有序降低，使动能转化为压力能，与此同时气体容积也相应减小，其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮。动力式压缩机在我国个别文献中称为速度式压缩机。（二） 按排气压力分类（1） 通风机 约15kPa（2） 鼓风机 小于0.3MPa（3） 低压压缩机 0.31.0MPa（4） 中压压缩 1.010MPa（5） 高压压缩机 10100MPa（6） 超高压压缩机 100MPa按排气压力分类时，压缩机进气压力为大气压力或小于0.2MPa，对于进气压力高于0.2MPa的压缩机，特称为“增压压缩机”。化工厂中常用的循环气压缩机（循环泵）即为增压压缩机的一种。（三） 按压缩级数分类（1） 单级压缩机：气体仅通过一次工作腔或叶轮压缩。（2） 两级压缩机：气体顺次通过两次工作腔或叶轮压缩。（3） 多级压缩机：气体顺次通过多次工作腔或叶轮压缩，相应通过次数 便是对应级数。在容积式压缩机中，每经过次工作腔压缩后，气体便进入冷却器中进行一次冷却；而在动力式压缩机中，往往经过两次或两次以上叶轮压缩后，才进入冷却器进行冷却。并把每进行一次冷却的数个压缩级合称为一个段。在日本把容积式压缩机的级称为“段”，我国个别地区、个别文献受此影响。也把级称为“段”。（四） 按容积流量分类（1） 微型压缩机 小于1m3/min（2） 小型压缩机 110m3/min（3） 中型压缩机 10100m3/min（4） 大型压缩机 10m3/min（五） 按离心压缩机的结构分类（1） 水平剖分型：其汽缸沿水平中分面剖分成上下两部分。该类型结构的特点是拆装较方便，但不适于高压气体或小相对分子量的气体，其使用压力一般不超过45MPa。主要用于各种化工装置的空气压缩机，氨、丙烷、丙烯等冷冻压缩机，合成尿素气体压缩机的低压段，以及用来输送煤气等。（2） 垂直剖分型：又称筒形。该机型采用筒形机壳，垂直剖分，用螺栓将端盖与圆筒形机壳连接在一起（端盖与机壳间有时也采用剪切环连接）。主要用于合成氨、合成尿素、合成甲醇的合成气压缩机以及其他石油化工循环机等。其使用压力可达45MPa左右，最高排气压力可达70MPa。（3） 等温型：在汽缸内部设置级间冷却器，使每级气体压缩后立即降温，再导入下一级中保持基本等温压缩。等温型压缩机结构较紧凑，且能在低功耗、高效率条件下进行压缩，按用途和输送介质的性质可以分为空气压缩机、二氧化碳压缩机、合成气压缩机、裂解气压缩机、氨冻冷机、乙烯压缩机及丙烯压缩机等。1.1.2 压缩机的用途压缩机在国民经济中的应用可以分为以下四个方面。（一） 动力用压缩机利用压缩空气作为动力风源，具有安全、经济、效率高的特点。因此，在机械、矿山、建筑等工业中广泛利用压缩空气来驱动各种风动工具。交通运输中利用压缩空气制动车辆、启动门窗。另外在大型发动机的起动、高压空气爆破采煤，鱼雷发射，潜艇沉浮等均需用到不同压力的压缩空气，在这些部门中，空气压缩机成为必不可少的设备。（二） 化工工艺用压缩机在化学工业中，将气体压缩至高压，有利于化学反应。列如，化肥生产中的合成氨和尿素的合成都需要在高压下进行不同阶段需要不同压力的压缩机。因而，各种气体压缩机是化学工业极为重要的关键设备之一。（三） 制冷和气体分离用压缩机气体经压缩后送入冷凝器，使之变成液体，若再膨胀至低压，液体经蒸发而吸热，可达到制冷目的。若液化的气体为混合气体，这可根据其各组份的不同气化温度，而将其分离出来，得到各种纯度的气体，因此，压缩机是制冷装置和气体分离设备中的主机。（四） 气体输送用压缩机在石油、化工生产中，常利用管道输送气体，则需用压缩机增压，以克服流动过程中的管道阻力。这种压缩机的压力，视其管道长短而定。当利用有限的容积输送较多的气体时，可利用压缩机将气体压力提高后，以较小的体积注入瓶中，达到装瓶输送气体的目的。容积式压缩机的种类很多，适用的范围各不相同。据我国机械工业部的统计，到1990年，社会对各类容积式压缩机的需求量（按吨位计）为：活塞式压缩机86%，螺杆式75%，滑片式3.5%，隔膜式及其它型式为3%。三机一泵（压缩机、鼓风机、通风机和泵）是流体机械的重要组成部分，它们被用来将机械能转变为流体的压力能、动能，其电力消耗占全国发电总量的三分之一，是许多基础工业和能源工业的心脏设备。从这里可以看到，活塞式压缩机的需求量最多，其在社会建设中的重要意义也就不言而喻。1.2 国内外发展现状随着气体动力学研究的进展，离心式压缩机的效率不断得到提高；新材料的问世，轴承、密封技术及机械加工技术的进步，解决了离心式压缩机向高压力、宽流量范围发展过程中的一系列问题，使离心式压缩机的应用范围大为拓展。离心式压缩机已成功地应用到汽车、直升机用燃气轮机、柴油机的增压器、空调、化工、石油等领域，并在许多领域中和容积式压缩机展开了竞争，取得了很好的成绩。起先离心式压缩机只是在低中压方面在大型企业中取代活塞式压缩机，发展到今天，在高压领域内和在大型企业中已取代了活塞式压缩机。随着高压离心式压缩机的有关关键技术(如高压密封、小流量叶轮的制作和防喘振措施等方面)的进展，世界许多厂家所提供的离心式压缩机性能也不断提高。目前，离心式压缩机的国际发展方向是压缩机容量不断增大、新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器相继出现；高压和小流量压缩机产品不断涌现；三元流动理论研究进一步深入，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，机组效率得到提高；采用噪音防护技术，改善操作环境等。 多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术，消化吸收和自主开发基础上，攻克不少难关，取得重大突破。但是，我国离心压缩机在高技术、高参数、高质量和特殊产品上还不能满足国内需要，50%左右产品需要进口。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，我国离心压缩机在大型化方面将面临新的课题。1.2.1大流量离心压缩机研究现状德国宇航院(DFVLR) Krain 博士基于准三维气动设计方法，通过计算机辅助设计完成了离心压缩机后向三元叶轮的设计，并应用激光测试技术对该叶轮内部流场进行了非常详细地测量。迄今为止，Krain 叶轮仍然是许多研究人员校验自己设计方法的对象。国内在离心压缩机三元叶轮的各类反命题设计方法中，以角动量的不同分布来控制叶片几何型线的方法应用较广。角动量的分布规律直接决定叶片载荷的大小并影响流动方向、跨盘盖方向的速度分布，而速度分布对叶轮二次流的强度及叶片表面边界层的发展有决定性的影响，这必然影响到对叶轮边界层损失、分离损失和二次流损失的控制，因此合适的角动量分布是设计高性能叶轮最有效的手段。席光等人以上文提到的德国宇航院(DFVLR) Krain 博士设计并试验的后向三元叶轮为研究对象，对其内部流动及气动性能进行了计算，在保留子午型线的前提下，改变角动量分布，对叶片重新设计，以研究角动量分布对叶轮内部三维流场及总体性能的影响，发展了一种以三维粘性分析为参考准则的实用设计方法，并利用 CFD 软件 FLUENT5. 4 进行了数值计算，计算结果表明：角动量的不同分布对离心压缩机叶轮的压比和效率有明显的影响。在发展以三维粘性分析为参考准则的离心压缩机三元叶轮的实用设计方法的基础上，王晓峰等人又探讨了将离心叶轮内部的三维粘性流动求解与试验设计技术以及响应面方法相结合的优化设计方法。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的优化方法，在试验测量、经验公式或数值分析的基础上，对指定的设计点集合进行连续的试验，并在设计空间构造测定量的全局逼近，这样便可以全面观察响应变量在设计空间的变化。在详细探讨响应面优化设计方法的基础上，他们以某工业离心压缩机中间级叶轮为研究对象，采用响应面方法对其进行优化设计，结果表明：与原始叶轮相比，性能有较大改进。为减小离心压缩机叶轮进口的冲击损失，降低叶片厚度对进气的阻塞，避免叶轮出口圆周上相邻两叶片间距过大等，目前国内外的高效率离心压缩机叶轮广泛采用了长、短叶片(分流叶片)的形式。刘瑞韬等人运用三维粘性流动数值计算程序 Fine/ Turbo 对含分流叶片的离心压缩机级内三维粘性流场进行了数值分析，为该类叶轮的优化设计及改进研究打下了基础。在此基础上，刘瑞韬等人又对分流叶片位置对高转速离心压缩机性能的影响进行了研究，重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压缩机级内三维粘性流场及整级性能的影响。计算结果表明：采用分流叶片在进口处会减少叶片阻塞；不同分流叶片起始位置时长叶片进口流场具有相同的分布规律；分流叶片越短，长叶片压力面无量纲静压载荷越大；当分流叶片长度达到某一数值后，长叶片载荷变化趋于平缓；分流叶片与长叶片吸力面夹角为 22. 5时的叶轮模型级效率最高，压缩机性能最好。初雷哲、杜建一等人采用 CFD 软件对微型燃机的离心叶轮进行数值模拟，讨论了叶片数及分流叶片位置对叶轮性能的影响，并进行了流场分析。分析结果表明：叶片数增加使得性能曲线左移，单个叶片载荷减小，损失增加，叶轮效率下降，但是增压效果得到改善；分流叶片位置靠近主叶片压力面时，性能曲线右移，流通能力提高，同时会使分流叶片的载荷增大，当分流叶片位置靠近主叶片吸力面时，情况正好相反。杨策等人开发了一套将初步设计、性能优化计算、性能预测、叶片成型和叶轮应力分析包含在内的离心式叶轮辅助设计系统，并用其设计出一种小型高转速离心压缩机，然后对其性能进行了详细地分析研究。杨策等人的研究结果表明：在进口条件和转速相同情况下，后向叶轮压比小于径向叶轮，效率高于径向叶轮，后向叶轮的流量特性曲线的斜率大于径向叶轮的流量特性曲线的斜率，后向叶轮的流量特性更接近轴流压缩机的特性；顶部间隙增大时，离心压缩机压比减小，效率下降；对于小流量的离心压缩机，叶轮进口弯曲对叶轮在设计点的绝热效率影响不大，叶轮出口弯曲对离心压缩机在设计点的效率影响很小；叶轮正弯时存在一个最高效率点，当叶轮正弯度大于或小于这个数值时效率均下降；采用前倾叶轮可以提高压缩机的效率，但降低了压缩机的压比；在较低转速下，前倾叶轮在大部分工作范围内效率高于普通叶轮，在较高转速下，前倾叶轮在全工况范围内效率都高于普通叶轮；前倾叶轮比普通叶轮有更大的喘振裕度，工作范围更宽广；前倾叶轮改善了出口的气流分离现象，能够减少掺混损失。综上所述，国内研究人员对离心压缩机的研究主要是通过数值计算来进行，一般是先用自己开发的计算程序或应用软件计算国外文献提到的有详细试验结果的离心压缩机或叶轮(一般多用前文提及的德国宇航院 (DFVLR)Krain博士研究的叶轮)，经过验证可行后，再用于自己的研发。一直以来，国内外在采用先进技术进行离心压缩机流场测试方面的研究较之设计方法研究则稍显滞后。运行中的离心压缩机内部流场测试技术的重大突破是伴随着激光速度测量学的成功发展而实现的。1970 年，Eckardt 运用Schodld 的 2 倍焦距激光测速计(Laser - 2focus- Velocimeter)对压比为 3 的压缩机内部流场进行了研究。在 20 世纪 60 年代初出现的激光多普勒测速技术和 2 倍焦距激光测速技术几乎同时被应用于离心压缩机内部流场的测量。国内上海交通大学的缪俊、谷传纲等人研究了激光相位多普勒测速技术( PDA)在离心压缩机叶轮内部流场测量中的应用，他们采用PDA 技术对试验用离心压缩机在小流量工况下叶轮内部的流动进行了测量，对如何在原有适合粒子图像速度场仪( PIV)测量的试验台上进行 PDA 测量，并提出了改进意见，分析了小流量工况下流道内气流速度矢量的变化趋势等流动特性。测试技术的发展必将进一步推动离心压缩机技术的发展。1.2.2小流量离心压缩机研究现状F. Gui et al 进行了高速小流量离心压缩机的设计和试验研究。在他的文献里介绍了一种小流量高转速的离心压缩机的研究结果，结果表明：小流量高转速离心压缩机在几何特征与整机性能上与大型离心压缩机存在区别，小流量高转速的离心压缩机在进口处轮盖与轮毂的直径比较大，叶轮外径与进口轮盖直径之比及叶尖间隙与叶片高度之比比大型离心压缩机大许多；在设计范围内，大型离心压缩机的流量 -压比曲线要比小流量高转速离心压缩机的流量- 压比曲线平坦得多，这也暗示着小流量高转速离心压缩机与大型离心压缩机的设计是有区别的，大型离心压缩机设计的经验方法不能完全应用于小流量高转速离心压缩机的设计。F.Gui et al 设计了一个叶轮直径仅为 63mm 的小流量高转速离心压缩机，其效率可达 84 %，这个数值较之从 20 世纪 50 年代起一直未有太大提高的 60 %左右的效率则是有了相当大的进步，这也表明：设计一个用于飞行器空气循环制冷系统和小型蒸汽压缩制冷系统用的小流量高转速离心压缩机是可以实现的。1.2.3 压缩机的新发展（一） 磁悬浮变频离心压缩机Turbocor是世界上第一台应用于通风、空调和制冷领域的无油智慧型离心压缩机。凭借久经航天工业考验的磁轴承、变速离心压缩以及数字电子技术，Turbocor压缩机家族（名义制冷量90-150冷吨）可为中央空调市场中的水冷、蒸发冷却及风冷机组提供最高的压缩效率。从发明至今，丹佛斯Turbocor已经获得ASHRAE/AHR Expo Energy Innovation Award （2003），Frost Sullivan Compressor Technology Leadership Award（2006），U.S. EPA Climate Protection Award，Canadian Energy Efficiency Award等多项殊荣。 它具有以下特点： 1磁悬浮无油运行 磁悬浮技术可以完全避免传统油润滑轴承的高摩擦损失、复杂的润滑油管理与控制。磁悬浮结构由径向轴承和轴向轴承组成，通过永久磁铁提供主要悬浮力，使得转子悬浮转动。同时通过电磁铁和传感器带共同配合，精确调整转子状态。运行时，传感器带进行每分钟600万次的数据采集分析并提供调整的指令，保证转子轴心偏差度始终在7微米以内。2变速驱动离心压缩Turbocor变速离心压缩机使用直流变速驱动的高速两级压缩。在冷负荷下降时，降低压缩机的转速，从而可在额定负荷的100%到20%，甚至更低的宽广负荷范围内优化压缩机的能耗。通过一个可供选的、数字控制的负荷平衡调节阀，压缩机甚至可在接近零负荷的工况下稳定运行。3数字化、模块化压缩机丹佛斯Turbocor压缩机集成压缩机运行、电子膨胀阀、冷水机组的数控系统，是一台全部数字化、智能化的压缩机。用户可以利用开放的通讯接口，实现模块化扩展和人性化管理的开发。磁悬浮变频离心压缩机系统具有以下综合特点： 超高节能：综合能效比IPLV可达9.55！比传统冷水机节能40以上！ 高可靠：全方位的高可靠性保护技术，确保空调机组从容应对各种意外情况，长期安全运转。 长期超高效：空调系统无油运行，彻底避免摩擦损失和润滑油污染，真正做到超高效的长期运行，大大降低运行和维护成本。 自由扩展：单压缩机90150冷吨，非常便于实现并联与模块化运行，适应绝大部分场合的冷量需求。 超静音：磁悬浮变频空调无结构震动，机组机械传动声、气流噪声都降至最低，以前所未有的超静音运行，充分发掘大楼设备层的商业价值. 电气成本降低：启动电流只有2安培，极大降低了对电网的冲击，大大减少了电器安全保护方面的投入。 易于运输，安装，维护：Turbocor是传统压缩机重量的1/5，尺寸的1/2，机组非常便于运输和安装。 环保冷媒：压缩机采用环保冷媒R134a，保护地球环境。（二） 微型电磁压缩机的新发展微型电磁压缩机发明于20世纪30年代，由于一般永磁铁所形成的直线电动机效率低下，仅为45%60%，由此使此种压缩机由于能耗大而未能得到发展。近一个时期来，由于应用NdFeB永磁材料，电机效率能达到95%，因此，人们又开始应用电磁压缩机。（三） 使用合成润滑油它较矿物油的闪点高，对于那些排气温度超过180的机器，应用合成润滑油会更安全。1.3 本课题研究的意义与内容离心压缩机具有流量大、转速高、结构紧凑，机组重量和占地面积小等独特优点，深得广大设计者及用户的青睐。近年来国内离心压缩机的技术越来越成熟，离心式压缩机在石化行业的发展前景愈加光明。离心式压缩机主要应用于石油化工等领域，并且是石化装置中最关键、最核心的设备之一，设备的可靠运行对整个石化装置的意义非常重大。气阀是大型往复式压缩机中最重要部件之一。目前，离心式压缩机的国际发展方向是压缩机容量不断增大、新型气体密封、磁力轴承和无润滑联轴器相继出现；高压和小流量压缩机产品不断涌现；三元流动理论研究进一步深入，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，机组效率得到提高；采用噪音防护技术，改善操作环境等。随着离心压缩机的发展，各种工况对机器的要求也越来越高，这就导致离心压缩机的转速不断提高，为了确保离心压缩机转子系统能够安全可靠、 长周期稳定运转，对离心压缩机转子系统进行优化设计，预测和判别转子系统的动力可靠性，具有十分重要的理论和实际意义。因此如何保证离心压缩机转子的制造质量成为了当前普遍关注的另一个意义重大的课题。正如上文所述压缩机的用途极为广泛，几乎遍及工农业、交通运输、国防甚至生活的各个领域，特别是随着近几年的经济发展，行业集中度有所提高，石化行业更是得到飞速发展，离心式压缩机在提高功率、提升稳定性及噪音比，保持原有技术优势的同时扩大适用范围等方面迎来了新时期赋予的无限憧憬，也为设计者提供更为广阔的科研平台。（一） 设计参数1 型号：MCL2 型式：2MCL457离心式压缩机3 排气量：4 进口压力：5 出口压力：6 进口温度：=307 排气温度：=428 交流电机驱动（二） 设计内容1 总体结构设计2 主要技术参数的设计与计算3 单轴多级离心压缩机转子的制造与质量控制研究（专题）4 结论第2章 工作原理与结构设计2.1 离心压缩机的工作原理离心式压缩机的工作原理是气体进入离心式压缩机的叶轮后，在叶轮叶片的作用下，一边跟着叶轮作高速旋转，一边在旋转离心力的作用下向叶轮出口流动，并受到叶轮的扩压作用，其压力能和动能均得到提高，气体进入扩压器后，动能又进一步转化为压力能，气体再通过弯道、回流器流入下一级叶轮进一步压缩，从而使气体压力达到工艺所需的要求。2.1.1 离心压缩机的主要特点(一) 流量大 离心压缩机中气体是连续流动，流通截面较大，同时叶轮转速很高，故流量很大，进气量在5000m3/min以上。(二) 转速高离心压缩机中转子只作旋转运动，转动惯量小，且与静止部件不接触。这不仅减少了摩擦，还可大大提高转速。(三) 结构紧凑机组重量及占地面积都比同一气量的活塞压缩机小得多。(四) 运转可靠由于转动部件与静止部件不直接接触摩擦，因而运转平稳、排气均匀、易损件少，一般可连续运转一年以上。且不需备用机组，维修量小。(五) 单级压力比不高目前排气压力需在500105Pa以上时，只能使用活塞压缩机。(六) 效率稍低由于离心压缩机中气流速度较大，造成能量损失较大，故效率较活塞压缩机稍低。(七) 需要安全保障措施由于离心压缩机转速高、功率大、无备机，因此一旦发生事故，后果是严重的，需有一系列紧急安全保障设施。2.2 压缩机的结构设计及方案选择2.2.1离心式压缩机的主要结构图2.1所示为一台离心式压缩机的结构视图。机器结构为2MCL型。离心压缩机一般由壳体、转子、定子、轴封以及辅助系统等五个部分组成。 图2.1 2MCL457离心压缩机（一） 壳体离心式压缩机的壳体结构主要有水平剖分型和垂直剖分型两种。水平剖分型的壳体分为上、下两半，出口压力一般低于7.85MPa，是用途最广泛的一种结构型式。 此次设计采用水平剖分，铸造壳体。（二） 转子压缩机的转子是压缩机的主要工作部件，包括主轴、叶轮、轴套、轴螺母、隔套、平衡盘和推力盘等。其中叶轮，又称工作轮，是压缩机中能使气体提高能量的唯一元件叶轮按其整体结构可分为开式、半开式和闭式三种，压缩机中实际应用的是半开式和闭式两种。叶轮随叶片出口角的不同，可分为前向叶轮(不采用) 、径向叶轮和后向叶轮。 设计中采用闭式后向叶轮（三） 定子定子主要由隔板形成的弯道、扩压器、回流器等，其中扩压器是能把速度能转化为压力能的元件。 离心式压缩机的扩压器分无叶扩压器和叶片扩压器两种。无叶扩压器效率较低，但结构简单， 同一无叶扩压器可与不同出口角的叶轮匹配工作。 对于工况变化较大的情况，采用无叶扩压器较好。 具有相同扩压度时，叶片扩压器的径向尺寸比无叶扩压器小， 对于工况变化小的情况，为了提高效率，以采用叶片扩压器较好。设计中采用有叶扩压器。（四） 轴封在离心式压缩机的各级之间和主轴穿过机壳处，为了防止泄漏，安装轴封装置。轴封型式有迷宫密封、机械密封、浮环密封和抽气密封等。迷宫密封是在密封体上嵌入或铸入或用堵缝线固定多圈翅片，构成迷宫衬垫。翅片的材料有黄铜片、磷青铜片、铅青铜片、铝片和白合金片等。视气体的性质、有无灰尘或雾，以及气体温度而定。浮环密封的工作原理是：在机器运行时注入高压油，密封环在旋转的轴上浮动，环与轴之间形成稳定的液膜，阻止高压气体泄漏。因此特别适用于大压差、 高转速的离心式压缩机。机械密封由动环和静环组成的摩擦面，阻止高压气体泄漏。密封性能好，结构紧凑，但摩擦副的线速度不能太高，工作时所需高于被密封的内部气体的润滑油压，要比采用浮环密封时高。机械密封一般在转速n3000r/min时采用。机构密封可适用于大多数气体，但它主要是用于清洁的气体、重烃气体和冷剂气体等。设计中采用迷宫密封。（五） 辅助系统压缩机安装在底座上，通过底座固定在水泥基础上。通过油站来提供润滑或密封用油，有时需要气体冷却器来降低气体温度，冷凝的液体通过气液分离器来分离掉；对于电机驱动的压缩机，还需要配备变速机；在机组旁布置油、气管线等。为了保证压缩机的长期稳定运行，还配备了可靠的控制系统和防喘振系统。 第3章 主要技术参数的设计与计算3.1 级数选择和各级压力比的分配3.1.1 级数的选择在选择压缩机的级数时，一般应遵循下列原则：使压缩机消耗的功最小、排气温度应在使用条件许可的范围内、机器重量轻、造价低。要使机器具有较高的热效率，则级数越多越好（各级压力比越小越好）。然而级数增多，则阻力损失增加，机器总效率反而降低，结构也更加复杂，造价随之大大上升。根据设计要求知道压力比为： (3-1）比较大，为了节能，宜选用多级中间冷却型的压缩机。级数约为6级或7级，本设计中选用7级。可采用两级中间冷却，末级出口空气的温度也将大于42，为此只能在压缩机中采用一个中间冷却器，而在压缩机出口之后设置第二个中间冷却器，使排除的空气冷却至接近于常温的42。压力比为9，一次中间冷却的省功比为18%。取流量余量系数为1.02，则该压缩机输送的空气质量流量为 （3-2）取压力升余量系数为1.04，则压缩机进出口压力比为3.1.2流量系数的选择流量系数一级二级三级四级五级六级七级2r0.2840.260.240.220.200.180.163.1.3理论能量头的计算第一级理论能量头Hth的计算 第二级理论能量头Hth的计算第三级理论能量头Hth的计算第四级理论能量头Hth的计算第五级理论能量头Hth的计算 第六级理论能量头Hth的计算 第七级理论能量头Hth的计算 3.1.4轮阻损失与漏气损失系数比的选取系数比一级二级三级四级五级六级七级df /l0.022/0.010.023/0.0130.026/0.0150.032/0.0180.035/0.020.037/0.0230.040/0.0253.1.5总能量头的计算第一级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）Hth=55.973 kJ/kg 第二级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）Hth =57.924 kJ/kg第三级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）kJ/kg =59.656 kJ/kg第四级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）kJ/kg =49.211 kJ/kg第五级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）kJ/kg =50.902 kJ/kg第六级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）kJ/kg =52.606 kJ/kg第七级总能量头Htot的计算Htot=（1+df +l）kJ/kg =53.473 kJ/kg3.1.6多变效率pol的选取多变效率一级二级三级四级五级六级七级pol0.780.770.760.770.760.750.763.1.7各级压力比的选择第一级的压力比第二级的压力比第三级的压力比第四级的压力比=1.4064第五级的压力比第六级的压力比第七级的压力比m为多变指数取m=1.43.2 叶轮主要参数的确定前三级为第一段，取相同的参数为D2=450mm，n=12238r/min，u2=288.35m/s，2A=50，Z=22片，2=4mm， 后四级为一段，第四级取D2=450mm，后三级取相同的参数D2=410mm，n=12238r/min，u2=262.72m/s，2A=45，Z=22片，2=4mm，3.3 工作气体各个参数的确定以及电动机的选择3.3.1 各级出口压力的计算第一级的出口压力 第二级的出口压力 第三级的出口压力 第四级的出口压力 第五级的出口压力 第六级的出口压力 第七级的出口压力 3.3.2 出口温度的计算第一级的出口温度 第二级的出口温度 第三级的出口温度 经冷却器冷却后温度为315K第四级的出口温度 第五级的出口温度 第六级的出口温度 第七级的出口温度 经冷却器冷却后温度为315K3.3.3 各级进口流量及出口流量的计算第一级进口流量 第二级进口流量 第三级进口流量 第三级出口流量 第四级进口流量 第五级进口流量 第六级进口流量 第七级进口流量 第七级出口流量 3.3.4 等熵指数的kv2选取等熵指数一级二级三级四级五级六级七级kv21.21.181.161.171.1551.141.123.3.5 叶轮出口相对宽度的计算第一级叶轮的出口相对宽度第二级叶轮的出口相对宽度第三级叶轮的出口相对宽度第四级叶轮的出口相对宽度第五级叶轮的出口相对宽度第六级叶轮的出口相对宽度第七级叶轮的出口相对宽度3.3.6 电机的选择（一） 内功率（二） 效率m =0.97（三） 轴功率（四） 电机输出功率Nd =1600k根据以上的计算，两个冷却器应按进口流量qv1=1.62m3/s,冷前温度T=475K，冷后温度T=315K和qv2=0.57 m3/s，冷前温度T=467.1K，冷后温度T=315K选型与设计。根据以上计算，这台离心压缩机可以设计为2MCL457离心压缩机。3.4 主轴的校核由于离心压缩机的主轴在运行中承受着扭矩、弯矩和离心力的作用，同时，还有振动应力和热应力。因此在选择主轴材料时，必须考虑材料的力学性能，所以主轴应选用特殊的合金钢结构34CrMo1A。轴强度校核其强度条件为式中 轴的扭剪应力，MPa； T轴传递的转矩，Nmm； 轴的抗扭截面模量，mm3； P轴传递的功率，kW； n轴的转速，r/min； 轴材料的许用扭剪应力，MPa。对于实心圆轴 ，则轴的直径应满足 （4-17）在本设计中，P=1600 kW，n=12200r/min。查表知34CrMo1A的许用扭剪应力。将上述数据带入公式计算得：由上式求出的d值，一般作为轴端处的最小直径。本设计中轴受力的最小轴径,安全。第4章 单轴多级离心压缩机转子的制造与质量控制研究（专题）4.1 转子的简介及组成离心压缩机的转子包括轴，固在轴上的叶轮、轴套、联轴器及平衡盘组成。叶轮等零件套在主轴上组成转子，转子支承在轴承上，由动力机驱动而高速旋转。转子组件是旋转机械的核心部分，如果其中某个零部件出了毛病，或在某个连接配合部位发生了异常变动，就会立即引起机组强烈的振动。因此转子的制造与质量控制在整个压缩机的设计，制造过程中就显得尤为重要。而作为转子上最为重要的零件叶轮和主轴的制造更是重中之重。4.2 叶轮的加工方案及质量控制目前在叶轮的加工方法有铆接结构、铸造结构、焊接结构、锻造结构以及特殊加工（钎焊、电解加工等）方法。无论任何的叶轮加工方法在精加工过程中最会出现这样或那样的缺陷，而怎样处理这些缺陷对叶轮的加工则是至关重要的。本章则主要介绍三体焊接结构的离心压缩机叶轮，即轮盘、轮盖、叶片分别加工，然后把叶片焊在轮盘上，叶片与轮盖采用塞焊工艺。也有采用两体焊接结构的，即叶片由靠模或数控铣床在轮盘上直接铣成，再用塞焊工艺把轮盖焊上在制造过程中我们发现个别叶轮在精加工时，会发生未焊透或表面显微裂纹等缺陷。本章就该课题介绍如下。4.2.1缺陷的类型和分析离心式压缩机高低压缸所有叶轮由轮盘、叶片、轮盖三体焊接而成。叶片为锥面扭曲型，制造工艺复杂。叶轮材料为KMn。制造中三体焊接的离心压缩机叶轮在轮盘、轮盖表面各预留0. 2mm的精加工量，外径端面预留0. 60mm加工量。当精加工到图纸尺寸公差范围内时，个别叶轮出现缺陷。缺陷形式一般为(1)端面流道口未焊透。如为某厂的离心式压缩机制造叶轮时，发现高压缸第三级叶轮流道口存在长3mm，深1. 5mm的未焊透缺陷，位置在叶片与轮盖塞焊焊接的根部。虽然未焊透的两端是圆滑的，不同于裂纹，但叶轮运转时在应力作用下未焊透易发展成为裂纹；(2)轮盖上表面发状裂纹。如高压缸第七级叶轮轮盖塞焊焊缝上，经放大镜观察发现长34mm发状裂纹，深0. 40.5mm，经分析为表面显微裂纹。两类缺陷都必须消除。4.2.2缺陷处理方法的探讨由于叶轮精加工已经达到图纸几何尺寸，为了消除缺陷保证叶轮质量，要解决的关键问题是(1)不能因焊接变形而造成叶轮尺寸超差导致报废，即补焊要控制焊接热输入量，焊接后必须保证叶轮的几何尺寸在图纸公差范围内；(2)焊后热处理后必须保证叶轮的机械性能和金相组织；同时叶轮热处理时必须防止表面氧化脱碳及变形。(一) 检测方法(1)使用着色法（或磁粉）检测定位并确定缺陷的类型、位置。磁粉法检查后的叶轮要作退磁处理，残余磁性应小于或等于10-3T；(2)用超声波检测缺隋深度。(二) 处理方法选择为了选择合理的处理方式，做了两个对比试验。(l)焊后回火处理对硬度和金相组织的试验：将补焊后未立即进行回火处理的叶轮试样进行检测补焊区的金相组织和硬度，。由此表明，补焊区出现条状马氏体，硬度亦高，这说明补焊区应立即进行回火处理；(2)回火次数对机械性能影响的试验：按国内外技术条件规定：精加工后作着 取4组试样，经不同回火次数，逐个取样检查色（或磁粉）检查，不得有裂纹存在。由此可见，在回火温度60010，保温2h，回火次数对机械性能的影响是不大的。因此，可采用补焊方法来消除叶轮缺陷，并证实焊接工艺及焊后热处理是与叶轮质量密切相关的。(三) 处理方法根据缺陷深度可采用不同处理方法。(1)如缺陷不深，可采用打磨圆滑过渡。采用打磨抛光方法去除缺陷时，在轮盖表面上打磨深度应严格控制。建议在离叶轮外缘12. 8mm的范围内不能打磨；在离叶轮外缘12. 560mm范围内允许打磨，打磨深度不超过0. 35mm。此数值与国内动平衡去重时的要求基本一致；(2)缺陷深时，可用dl:)5mm钻头打孔去除缺陷，用手工焊或氩弧焊进行补焊。焊前要预热，焊后消除应力。经精整后，用着色法对叶轮表面检查补焊区焊缝及热影响区，并进行最终检验。4.2.3补焊处理(一) 流道口未焊透的处理1、焊前准备 (1)钻孔，去除缺陷，制备坡口的角度为6070。的V型或U型，底部不允许有尖角，且无油污等物；(2)丙酮清洗焊接表面。2、焊接工艺 (1)预热350，保温2h;(2)采用氩弧焊，氩气必须预热到150左右，纵免焊肉激冷。预热方法是将氩气通过36V气体预热器；(3)焊丝采用H13CrMoA，为慎重起见，使用前在理化试验室用光谱法确认含有Cr、Mo；(4)焊接工艺参数：电源极性的D。正极，焊材为H13CrMoA，焊丝直径为q2mm，焊接电流为80100A，焊接电压为12V；(5)钨棒预先在附加钢板上引弧，待钨棒变红后再移至坡口上焊接，注意防止弧坑裂纹。3、焊后热处理 焊后立即进炉热处理，消除应力，热处理温度600土10，保温2h，为防止叶轮表面氧化脱碳，在加热全过程采用氩气（或氮气）保护，我公司采用氩气保护，流量控制在1. 21. 6L/min，并保证热处理炉内气氛为正压。4、尺寸复核 热处理后复核尺寸如下：内孔均匀涨大00lmm，属公差允许范围内；外径补焊处局部涨大0.0lmm;与轮盖补焊区对应部份的轮盘被凸出0. 04mm。5、叶轮精整 按技术条件叶轮最大直径侧面偏摆量允许值为0. 1mm，叶轮最大外径跳动量允许值为0.1mm。经对叶轮外径和轮盘精车光刀后，其结果均符合技术条件。6、最终检验 经着色检查、做动平衡、单个叶轮超速试验后均合格。(二) 表面显微裂纹的处理对第七级叶轮采用手工焊补焊处理。1、焊前准备打磨去除缺陷，剖面为大于或等于90。的V型或U型，底部不应有尖角，且无油污等物；丙酮清洗坡口。2、焊接工艺(l)预热350，保温2h；(2)采用857+铬焊条，并按规定要求烘烤；(3)焊接工艺参数：电源极性为D。正极，焊材为结857+铬，焊条直径P3. 2mm(或2. 5mm)，焊接电流为9095A，焊接电压为23V，焊接速度为1.52mm/s。焊接时注意起弧与收弧，防止弧坑热裂纹。3、焊后热处理 同氩弧焊补焊法。4、尺寸复核在补焊区内选的几何尺寸均在原尺寸数值的公差允许范围内，说明所采用缺陷处理的工艺正确。偏摆量产生的原因是原有加工应力及局部补焊经热处理后应力释放所致。5、叶轮精整首先确定组装配合面，用千分表找正，挡圈面是否与轴线垂直，发现垂直度为0. 005mm，调正后进行光刀，精车修正轮盘轮盖的偏摆量，轮盖光刀量为0. 03mm轮盘光刀量为0.070.08mm。实践中应考虑轮盖塞焊处易出现焊接缺陷，因此光刀量尽量少。6、最终检验经着色检查，动平衡，超速试验后均合格。4.3主轴的加工离心压缩机的单轴型主轴常用的结构形式有三种：一是阶梯轴，其特征是轴颈尺寸中间大，向两边递减，每个台阶凸肩是叶轮的轴向定位面；而是变节轴，与阶梯轴比较，轴上设计成叶轮进气流道的圆弧槽，达到转子结构紧凑的效果，这种结构实