燃氣透平式壓縮機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

燃氣透平式壓縮機的結(jié)構(gòu)設(shè)計,燃氣,透平,壓縮機,結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要 本次設(shè)計所涉及的燃氣透平式壓縮機具體是天然氣增壓離心式壓縮機。設(shè)計內(nèi)容按照設(shè)計過程依次包括氣動計算、強度計算、本體設(shè)計等。其中，氣動計算設(shè)計重點是流道部分的設(shè)計和計算，利用歐拉方程、速度三角形法等基本原理和方法進行具體設(shè)計。強度計算是在氣動計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，針對設(shè)計要求進行相關(guān)的校核，主要是判斷在壓縮機高速旋轉(zhuǎn)時，葉輪和軸的過盈配合而產(chǎn)生的應(yīng)力是否能夠滿足機器安全運行的許用應(yīng)力要求，以便于保證在機器正常運行時每一點的應(yīng)力小于許用應(yīng)力。本體設(shè)計主要是壓縮機具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主要包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分的設(shè)計。重點是根據(jù)氣動計算、強度計算的結(jié)果確定主軸、推力軸承、支撐軸承、平衡盤、進氣蝸室、排氣蝸室的具體尺寸，從而使機器能夠達到氣動、強度等方面的設(shè)計要求。通過本設(shè)計系統(tǒng)的運用了所學(xué)知識，學(xué)習(xí)了產(chǎn)品設(shè)計過程。 關(guān)鍵詞 透平式壓縮機；氣動計算；強度計算；轉(zhuǎn)子；定子 Abstract What this plan is a section of turbo-charged centrifugal gas compressor. This design mainly includes the air operated computation, the strength calculation, the main body to design and so on several parts. What air operated computation design is the flow channel part, what the design mainly uses is principles and so on velocity triangle law, Euler's equation carries on the design calculation. The strength calculation design is mainly for examines when compressor high speed revolving, as a result of the impeller and the axis the stress which the full coordination produces whether can satisfy the machine safe operation the allowable stress. Guarantee when machine normal operation each spot stress is smaller than an allowable stress. Strength calculation here no longer in detail explained. The main body designs the compressor structural design which completes mainly to include the stator and rotor's design. According to air operated computation, strength calculation's result to determination the size of main axle, thrust bearing, steady bearings, balance disc, air admission snail room and exhaust snail room 's area , thus enables the machine to achieve air operated, the intensity and so on design requirements. Key Word: centrifugal compressor；air operated computation；strength calculation；stator； rotor 目錄 摘 要 I Abstract II 1 前言 1 1.1 離心式壓縮機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1 1.2 離心式壓縮機發(fā)展方向 2 2 離心式壓縮機的總體設(shè)計 4 2.1 基本概述 4 2.2 離心式壓縮機本體結(jié)構(gòu)及擬采用方案 4 2.3 離心式壓縮機基本原理 6 2.4 離心式壓縮機本體結(jié)構(gòu)特點說明 6 2.5 轉(zhuǎn)子及葉輪 7 2.6 底座 7 2.7 潤滑和調(diào)節(jié)油聯(lián)合系統(tǒng) 9 3 缸體氣動計算 10 3.1 氣動計算依據(jù)的原理 10 3.1.1 葉輪進出口速度三角形 10 3.1.2 基本方程 12 3.1.3級內(nèi)損失簡介 14 3.2 氣體組分及運行條件 16 3.3 氣動計算方法及分析 18 3.3.1原始的數(shù)據(jù)： 18 3.3.2進氣道參數(shù)及其原理公式： 18 3.3.3壓縮機葉輪參數(shù)及其原理公式： 19 3.3.4無葉擴壓器參數(shù)及其原理公式： 23 3.3.5蝸殼參數(shù)及其原理公式： 24 3.3.6壓縮機參數(shù)校核及其原理公式： 25 4 壓縮機強度設(shè)計及軸向推力計算 26 4.1 轉(zhuǎn)子強度設(shè)計 26 4.1.1 葉輪強度計算概述 26 4.1.2 葉輪應(yīng)力計算原理 26 4.2 定子強度設(shè)計 27 4.2.1 概述 27 4.2.2 進出風(fēng)口厚度計算 28 4.2.3 端蓋厚度計算 28 4.3 機殼部分計算 29 4.3.1 機殼厚度計算 29 4.3.2 機殼端部厚度的計算 30 4.4 軸向推力計算 30 4.4.1 平衡盤尺寸的確定 32 4.4.2 軸向推力考慮的三個因數(shù) 32 5 壓縮機本體設(shè)計 37 5.1 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計 37 5.1.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)總述 37 5.1.2 葉輪 37 5.1.3 主軸 40 5.1.4 推力盤 40 5.1.5 軸套 41 5.1.6 平衡盤 41 5.1.7 聯(lián)軸器 41 5.1.8 轉(zhuǎn)子上的各螺母 41 5.2 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計 43 5.2.1 機殼 43 5.2.2 擴壓器 44 5.2.3 回流器 44 5.2.4 蝸室 44 5.2.5 密封 44 5.3 本設(shè)計完成的其他工作介紹 48 結(jié) 束 語 49 致 謝 50 參考文獻 51 53 1 前言 1.1 離心式壓縮機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 離心式空氣壓縮機屬于速度式壓縮機，在用氣負荷穩(wěn)定時離心式空氣壓縮機工作穩(wěn)定、可靠。 優(yōu)點是 　?、俳Y(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，排氣量范圍大； 　?、谝讚p件少，運轉(zhuǎn)可靠、壽命長； 　?、叟艢獠皇軡櫥臀廴荆馄焚|(zhì)高； ④大排量時效率高、且有利于節(jié)能。 目前離心式壓縮機發(fā)展趨勢是：容量不斷增大，以滿足石化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大的要求隨著新技術(shù)的發(fā)展，新型氣體密封、磁力軸承和無潤滑聯(lián)軸器的出現(xiàn)，不斷開發(fā)高壓壓縮機和小流量壓縮機產(chǎn)品進一步研究三元流動理論，不僅應(yīng)用到葉輪設(shè)計，還發(fā)展到葉片擴壓器靜止元件設(shè)計中，以期達到最高的機組效率低噪聲化，采用噪聲防護以改善操作環(huán)境。 　　國內(nèi)可以生產(chǎn)石化用離心壓縮機的制造企業(yè)主要有沈陽鼓風(fēng)機廠、上海鼓風(fēng)機廠、陜西鼓風(fēng)機廠等。他們引進國外技術(shù)，經(jīng)過消化吸收，可以生產(chǎn)石化用大型離心壓縮機。沈陽鼓風(fēng)機廠從意大利新比隆公司引進了MCL、BCL、PCL三個離心壓縮機系列的全套設(shè)計制造專利技術(shù)從日本日立公司引進了DH型離心壓縮機、HS型工業(yè)冷凍機設(shè)計制造專利技術(shù)，從美國費城齒輪公司引進了MHS、HS、HSS、HSD四個系列的高速齒輪變速器的設(shè)計制造專利技術(shù)從德國德馬格公司引進了VK8型組裝式離心壓縮機設(shè)計制造專利技術(shù)和從日本川崎重工株式會社引進了GM型污水處理鼓風(fēng)機技術(shù)。沈陽鼓風(fēng)機廠生產(chǎn)的離心壓縮機在國內(nèi)石化企業(yè)已經(jīng)應(yīng)用200多臺，市場占有率已達80以上。沈鼓廠生產(chǎn)的300萬t/a催化裂化裝置富氣壓縮機進口流量達到81 600Nm 3 /h，功率達到7 166kW離心式循環(huán)氫壓縮機流量達到250 000Nm 3 /h，功率達到1 600kW，出口壓力達到18MPa，已經(jīng)應(yīng)用于120萬t/a加氫裂化裝置沈鼓廠自行設(shè)計、制造的裂解氣壓縮機流量達到120 000Nm 3 /h，功率達到18 000kW同國外合作設(shè)計、制造的丙烯壓縮機流量達到58 000Nm 3 /h，功率達到7 500kW乙烯壓縮機流量達到74 000Nm 3 /h，功率達到5 500kW，已經(jīng)應(yīng)用到30～50萬t/a乙烯裂解裝置。沈鼓廠自行設(shè)計和制造的大化肥裝置的空氣壓縮機、天然氣壓縮機、氨壓縮機、二氧化碳壓縮機已應(yīng)用于20～30萬t/a化肥裝置沈鼓設(shè)計制造的空氣壓縮機流量達到220 000Nm 3 /h，功率達到17 580kW，已經(jīng)應(yīng)用于40 000Nm 3空分裝置[1]。 目前國內(nèi)離心壓縮機在高技術(shù)、高參數(shù)、高質(zhì)量和特殊產(chǎn)品方面還不能滿足國內(nèi)需要。另外在技術(shù)水平、質(zhì)量、成套性上和國外還有差距。隨著石化生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，離心壓縮機大型化方面面臨新的課題。100萬t/a乙烯三機中的裂解氣壓縮機，進口流量達到403 000kg/h，出口壓力達到3.89MPa，軸功率達到45770kW。45萬t/aPTA裝置原料空氣壓縮機帶尾氣透平進口流量162 413Nm 3 /h，進出口壓力0.1/1.46MPa，軸功率22 000kW,國內(nèi)在設(shè)計制造這些大型氣體壓縮機上還沒有成熟的經(jīng)驗。 因此，對離心式壓縮機的設(shè)計理論進行深入、系統(tǒng)的研究非常有必要，從而設(shè)計出符合實際工作要求的離心式壓縮機。 1.2 離心式壓縮機發(fā)展方向 大型離心壓縮機組屬技術(shù)密集型、高難度產(chǎn)品，必須擁有先進的專業(yè)設(shè)計制造技術(shù)。由于化工和石油化工裝置不斷向大型化發(fā)展，用戶對壓縮機組的能耗、可靠性、配套水平等技術(shù)指標(biāo)的要求也越來越高。 在二氧化碳壓縮機方面，過去出現(xiàn)了一些壓縮機性能與工藝條件不匹配的事故。現(xiàn)在西安交大、沈陽鼓風(fēng)機廠都有自己的二氧化碳閉式試驗臺，問題已得到解決。因此，對大型化肥和石油化工壓縮機的改進已基本上集中在壓縮機性能本身的改進上。目前，世界上先進的壓縮機制造廠家都在致力于這方面的研究。如在壓縮機的氣動性能設(shè)計上使用的程序，能夠適用于幾百個大氣壓，在近臨界區(qū)域條件下適用于幾十種復(fù)雜氣體，大大提高了計算精度；在轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性研究上，已經(jīng)研制出超二階、三階的高柔性轉(zhuǎn)子，并已成功使用；還在部件成套技術(shù)上有了很大發(fā)展，如在密封、軸承、調(diào)節(jié)系統(tǒng)、輔機配套水平等方面。因此，如何跟蹤世界上先進的壓縮機設(shè)計制造技術(shù)是當(dāng)務(wù)之急。 大型離心壓縮機組的改進，需要加強以下方面研究。 1．三維工程設(shè)計CAD開發(fā)。采用三維工程設(shè)計可以優(yōu)化設(shè)計機組布置，使機組布置美觀，且具有自動進行干涉檢查的功能，避免設(shè)計缺陷。能夠自動進行結(jié)構(gòu)分析，提高設(shè)計精度和設(shè)計效率。CAD的主要開發(fā)內(nèi)容有：建立三維實體造型設(shè)計模型，建立三維實體設(shè)備圖庫、數(shù)據(jù)庫等。 2．轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性設(shè)計專家系統(tǒng)的開發(fā)。在設(shè)計過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性不能滿足設(shè)計規(guī)范的要求，或已經(jīng)制造出來的機組出現(xiàn)振動過大、運行不穩(wěn)定等情況時，就必須修改原機組的結(jié)構(gòu)參數(shù)、物性參數(shù)值。但是影響轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)有很多，修改哪一個或幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)最有效，能立竿見影地解決設(shè)計和機組穩(wěn)定運行問題，是建立該專家系統(tǒng)軟件的目標(biāo)。主要研究內(nèi)容有：各種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)子--軸承系統(tǒng)動力特性的影響、建立智能型專家系統(tǒng)設(shè)計計算軟件包等。 3．智能型計算機控制系統(tǒng)開發(fā)。目前世界上已廣泛采用了微機控制的三重冗余、容錯控制器、多功能防喘振、性能調(diào)節(jié)、安全保護綜合控制系統(tǒng)，使離心壓縮機控制由傳統(tǒng)的模擬儀表控制變?yōu)槎喙δ艿膶＜铱刂葡到y(tǒng)。主要研究內(nèi)容有：研制大化肥裝置用離心壓縮機組專用的、具有防喘振、性能調(diào)節(jié)、安全保護的數(shù)字式微機綜合控制系統(tǒng)[2]。 2 離心式壓縮機的總體設(shè)計 2.1 基本概述 透平式壓縮機是一種葉片式旋轉(zhuǎn)機械，它利用葉片和氣體的相互作用，提高氣體的壓力和動能，并利用相繼的流通元件使氣流減速，將動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ奶岣摺Ｒ话愕膲嚎s機可以分以下幾類：如圖2.1所示： 圖2.1 交流直流兩用電動機的結(jié)構(gòu)原理 一般透平式壓縮機按氣體主要運動方向分有：離心式，氣體在壓縮機大致徑向流動；軸流式，氣體在壓縮機內(nèi)大致沿平行于軸線方向流動；軸流離心組合式，有時在軸流式的高壓段配以離心式段，形成軸流、離心組合式壓縮機。 離心式和軸流式壓縮機相比各有優(yōu)缺點。軸流式壓縮機具有效率高（設(shè)計工況下絕熱效率可比離心式高出5%~10%）、流量大等優(yōu)點，但排氣壓力不高，穩(wěn)定工作范圍窄，對工質(zhì)中的雜質(zhì)敏感，葉片易受磨損；離心式壓縮機則不同，除效率比軸流式壓縮機低外，可達到很高的排氣壓力，允許輸送較小的流量。因此本設(shè)計選取透平式壓縮機中的離心式壓縮機作為設(shè)計對象。 2.2 離心式壓縮機本體結(jié)構(gòu)及擬采用方案 離心式壓縮機的本體結(jié)構(gòu)分為兩大部分：轉(zhuǎn)子，定子。轉(zhuǎn)子由主軸、葉輪、平衡盤、定距套、推力盤、半聯(lián)軸節(jié)等部分組成。定子由氣缸、隔板、支撐軸承、推力軸承、軸端密封等零部件組成。 壓縮機按結(jié)構(gòu)大致可分為，水平剖分型、筒型、等溫型三種。水平剖分型，氣缸被剖分為上、下兩部分，一般用于空壓機，排氣壓力限在4—5MPa。不適合用于高壓和含氫多且分子量小的氣體壓縮。筒形，也就是垂直剖分型，筒形氣缸里裝入上、下剖分的隔板和轉(zhuǎn)子，氣缸二側(cè)端蓋用螺栓緊固。由于氣缸是圓筒形的，抗內(nèi)壓能力強，對溫度和壓力所引起的變形也較均勻。主要用于汽油改質(zhì)、脫硫等石油精制裝置的循環(huán)機和其他石油化工用的循環(huán)機，使用壓力可達45MPa。等溫型，這種壓縮機就為了能在較小的動力下對氣體進行高效的壓縮，把各級葉輪壓縮的氣體，通過級間冷卻器冷卻后再導(dǎo)入下一級的一種壓縮機。 本此設(shè)計的壓縮機工質(zhì)為燃氣，天然氣主要成分為CH4，分子相對質(zhì)量為16，小于空氣的相對分子質(zhì)量29，此外燃氣采用液化罐裝運輸時所需壓力很大，因此選用筒型。 我們常順著氣體流動路線，將壓縮機分為若干個級。所謂級就是由一個葉輪和與之相配合的固定元件構(gòu)成的基本單元。而氣體從進入氣缸到排出（進入其他氣缸或者冷卻）之前經(jīng)過的部分，被稱為一段。離心式壓縮機，從具體結(jié)構(gòu)上，可以被劃分為如下幾個部分： (1) 吸氣室：在每段的第一級入口都設(shè)有吸氣室，將氣體從進氣管均勻地引入葉輪進行壓縮。 (2) 葉輪：葉輪又稱工作輪，是壓縮機中最重要的部件。葉輪又稱工作輪，是壓縮機的最主要的部件。葉輪隨主軸高速旋轉(zhuǎn)，對氣體做功。氣體在葉輪葉片的作用下，跟著葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，受旋轉(zhuǎn)離心力的作用以及葉輪里的擴壓流動，在流出葉輪時，氣體的壓強、速度和溫度都得到提高。從能量觀點來看，壓縮機中葉輪是將機械能傳給氣體，以提高氣體能量的唯一元件。 按結(jié)構(gòu)型式葉輪分為開式、半開式、閉式三種， 本次設(shè)計選用性能好、效率高閉式葉輪。 (3) 擴壓器：氣體從葉輪流出時，具有很高的流動速度，為了將這部分動能充分的轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，以提高氣體的壓力，緊接葉輪設(shè)置了擴圧器。擴圧器隨著直徑的增大、流通面積都隨之增加，使氣流速度逐漸減慢、壓力得到提高。 擴壓器的種類一般可分為無葉擴壓器、葉片擴壓器和直葉壁形擴壓器。無葉擴壓器，由前、后隔板平行壁構(gòu)成的等寬度環(huán)形通道，而葉片擴壓器和直葉壁形擴壓器則是在前后隔板之間設(shè)置葉片。無葉擴壓器結(jié)構(gòu)最簡單，造價最低，工作范圍大，一般離心式壓縮機都采用這種結(jié)構(gòu)型式的擴壓器，也是本設(shè)計的選擇。 (4) 彎道與回流器：為了把從擴圧器出來的氣體引導(dǎo)到下一級去繼續(xù)壓縮，設(shè)有使氣流拐彎的彎道和把氣流均勻地引入下一級葉輪入口的回流器。彎道是由隔板和氣缸組成的通道，回流器則由兩塊隔板和裝在隔板之間的葉片組成。 (5) 蝸殼：蝸殼的主要作用是把從擴圧器出來的氣體匯集起來，并引出機外。 (6) 密封：有減少氣體從葉輪出口倒流到葉輪入口的輪蓋密封，減少級間漏氣的定距套密封，以及減少氣體向機外泄露或從外吸入的軸端密封。內(nèi)部密封如輪蓋、定距套和平衡盤上的密封，一般做成迷宮型，防止機器內(nèi)部通流部分各空腔之間泄漏。防止或減少氣體由機器向外部泄漏或由外部向機器內(nèi)部泄漏的密封，稱外部密封。 對于外部密封來說，本次設(shè)計需要壓縮的氣體為燃氣，易燃，不允許漏至機外，必須采用液體密封、機械接觸式密封、抽氣密封或充氣密封等。本次設(shè)計選用機械接觸式密封中的干氣密封。 2.3 離心式壓縮機基本原理 離心式壓縮機的基本原理是通過原動機帶動轉(zhuǎn)子部分的旋轉(zhuǎn)，使進入壓縮機的氣體通過葉輪、擴圧器、彎道、回流器，反復(fù)地得到旋轉(zhuǎn)加速加壓的效果，并通過逐級的加速加壓，最后達到設(shè)計所需的氣體速度和壓力要求。 首先，需要被加壓的氣體從進氣管道進入吸氣室中，被吸氣室中的隔板分流為均勻的氣流，進入旋轉(zhuǎn)的葉輪。在葉輪中，氣體做三元流運動，通過加速獲得動能，然后由葉輪被甩入擴壓器。在擴壓器中，氣體速度減慢，氣體壓力上升。然后升壓后的氣體，通過彎道，進入回流器，然后進入下一級葉輪重復(fù)上述加壓過程。這樣，通過每一個葉輪的旋轉(zhuǎn)加壓，最終使氣體壓力上升到指定的要求。如圖2.2所示： 圖2.2 壓縮機工作原理示意圖 2.4 離心式壓縮機本體結(jié)構(gòu)特點說明 形式：垂直剖分鍛鋼殼體筒型9級離心壓縮機； 驅(qū)動形式：雙出軸凝汽式汽輪機[1]； 轉(zhuǎn)向：從汽輪機進氣端看壓縮機轉(zhuǎn)向為順時針； 流量調(diào)節(jié)方式：變轉(zhuǎn)速； 軸端密封形式：干氣密封； 機殼：垂直剖分型鍛鋼殼體，氣體進出口均向下，殼體水壓實驗按最大允許工作壓力1.5倍進行； 主軸：鍛鋼軸帶不銹鋼軸套； 軸承形式： 徑向軸承： 水平剖分可傾瓦式[1]； 推力軸承： 傾斜墊塊（金斯伯雷）式[1]，雙作用自平衡型，推力軸承載荷不應(yīng)超過制造商允許最大載荷的50%，推力盤和與主軸的配合面為錐面，液壓安裝與拆卸； 密封：級間密封和葉輪口圈密封為迷宮密封； 壓縮機下機殼排渣：級間排凝設(shè)有接管和截至閥，帶有雙閥加配對盲法蘭，法蘭 為RJ型，集合管接至底座邊緣。 壓縮機與外部鏈接：所有與用戶管道連接的接口采用法蘭連接 2.5 轉(zhuǎn)子及葉輪 壓縮機為鍛造銑制焊接葉輪。 單個葉輪超速測驗轉(zhuǎn)速：1.5倍最大連續(xù)轉(zhuǎn)速； 轉(zhuǎn)子超速測驗轉(zhuǎn)速（機械運轉(zhuǎn)）：1.1倍最大連續(xù)轉(zhuǎn)速； 轉(zhuǎn)子進行高速動平衡[1]，高速動平衡按API617[1,3]進行，整體做高速動平衡； 選材考慮了硫化氫和氫氣產(chǎn)生的腐蝕，根據(jù)美國葉輪選型標(biāo)準(zhǔn)選用了沉淀硬化不銹鋼[1,7,8]。 2.6 底座 壓縮機、汽輪機采用公用底座，包括防滑蓋板、地腳螺栓、調(diào)平墊片和不銹鋼墊片，地腳螺栓采用基礎(chǔ)貫穿式[1]。 壓縮機公用底座范圍內(nèi)的全部接管交接到底座邊緣，并帶有對應(yīng)法蘭、螺栓、螺母、墊片。底座范圍內(nèi)的全部儀表，包括接線盒的配線以及至機旁盤的保護管，接到底座上的開架式儀表盤。 平衡管的設(shè)計應(yīng)保證平衡盤的特性，其尺寸適用于平衡盤密封最大設(shè)計間隙的兩倍。 壓縮機就地儀表架為不銹鋼制成。 壓縮機設(shè)置防喘振控制系統(tǒng)和機組控制系統(tǒng)[10]。 聯(lián)軸器及護罩：聯(lián)軸器采用疊片式，護罩為全封閉無火化護罩[1]。 壓縮機組所有法蘭（包括油、汽系統(tǒng)）均采用大外徑對焊帶頸突面法蘭，壓力等級不小于class150（公稱壓力等級）,管線外徑選用SH/T3405-96的管線系列。所有墊片均選用纏繞墊[7]。 附帶美國太平洋閥門的凸面法蘭尺寸如圖2.3和表2.1： 圖2.3 壓力等級Class 600法蘭結(jié)構(gòu)示意圖 表2.1 凸面法蘭尺寸標(biāo)準(zhǔn) 2.7 潤滑和調(diào)節(jié)油聯(lián)合系統(tǒng) 機組各單機潤滑油路應(yīng)統(tǒng)一接到進油集合管，進油集合管末端應(yīng)裝壓力表。進油支管設(shè)專用調(diào)節(jié)閥和壓力表，回油支管設(shè)視鏡和溫度計，回油管靠在底座邊緣。潤滑和調(diào)節(jié)聯(lián)合油站的所有設(shè)備和儀表，安裝在一個底座上并帶有地腳螺栓。在底座范圍內(nèi)的電氣儀表安裝好并配管。所有與用戶連接的管口帶配對法蘭接到底座邊緣。 3 缸體氣動計算 3.1 氣動計算依據(jù)的原理 3.1.1 葉輪進出口速度三角形 為了計算氣體流過葉輪時，葉輪對氣體所作的功，需先分析氣體的運動情況。氣體在一級里所作的運動劃分如圖3.1所示： 圖3.1 壓縮機級內(nèi)截面劃分 現(xiàn)考察常規(guī)葉輪的截面1－1及截面2－2（圖3.1）， 圖3.2 葉輪進出口截面氣流速度分析 a)進口速度三角形 b)出口速度三角形 1－1截面是氣體剛進入葉片的截面，2－2截面是氣體即將離開葉片的截面，設(shè)截面上氣流的絕對速度，牽連速度與相對速度分別以c、u及w表示,，則當(dāng)氣流以進入1－1截面時，其相對速度： （3.1） 而當(dāng)氣流以離開2－2截面時，其絕對速度： （3.2） 式中的指截面上的圓周速度，其大?。? （3.3） 圖3.2表示出了c、w及u三個速度矢量的關(guān)系，它們組成的三角形表示出了三者之間的數(shù)量關(guān)系，稱為速度三角形。 在圖2.2中，a）的正值指c與u之間的夾角，而β的正值指w與u的反向之間的夾角。今后常需把速度分解為圓周方向（即u方向）及垂直于u方向（在常規(guī)葉輪中即為半徑r方向）的分量，由圖3.2，對出口速度三角形作幾何分析可得： （3.4） 而且從速度三角形可得下述關(guān)系： （3.5） 對于進口速度三角形，同樣有如下關(guān)系式： （3.6） 及 （3.7） cu有時被稱為旋繞，而cu1被稱為預(yù)旋，在大多數(shù)設(shè)計工況時，cu1＝0（或），此時稱為“無預(yù)旋”情況。 3.1.2 基本方程 1、歐拉方程式 歐拉方程式是動量矩定律（牛頓定律的一種形式）在葉輪機械中的具體應(yīng)用。 歐拉第一方程： （3.8） 它表明：只要知道葉輪進、出口截面上的速度u和cu，便可求出葉輪給予流過葉道單位質(zhì)量氣體的能量，即所謂理論能量頭Δhth。 關(guān)于歐拉方程式的一些說明： (1) 歐拉方程式是在假設(shè)葉輪內(nèi)氣體的相對運動穩(wěn)定，1－1截面及2－2截面（參見圖2.1）上氣流參數(shù)均勻的條件下，應(yīng)用動量矩定律求得。它不僅適用于任何氣體，也適用于任何液體。同時，它也適用于葉輪內(nèi)的流動有磨擦及損失的情況。 (2) 根據(jù)對葉輪內(nèi)部氣體流動的研究，其相對運動可以認為是穩(wěn)定的，但是沿葉輪內(nèi)部的任意圓周截面（以旋轉(zhuǎn)軸為圓心）上，其氣流參數(shù)是不均勻的。在相對坐標(biāo)系中，氣流參數(shù)可認為是沿上述圓周截面作“周期”的變化，并以一個葉片通道的寬度為一個“周期”。因此葉輪內(nèi)部氣體的絕對運動是不穩(wěn)定的[1,2]。 但是由于相對坐標(biāo)中氣流參數(shù)沿圓周作“周期”變化，因此任何瞬間上絕對座標(biāo)內(nèi)氣流參數(shù)沿圓周上的分布形式是一樣的，只是其位置轉(zhuǎn)過了一個角度。由于我們所取的控制面包含了整個圓周，所以絕對坐標(biāo)中控制體內(nèi)的動量矩之和依然是不隨時間而變的。 (3) 在固定元件或葉輪的截面0－0至截面1－1間，如忽略壁面對氣體的磨擦力，則外力矩T＝0。如認為此時氣體的絕對運動為穩(wěn)定，考察兩任意截面（其上氣流參數(shù)為均勻），則可得 或 （3.9） 此情況稱為動量矩守恒。 (4) 無預(yù)旋情況時的歐拉方程式： 對于大多數(shù)情況，葉輪進口0－0上的氣流絕對速度是沿軸向的，由于截面0－0至1－1間壁面摩擦影響不大，故根據(jù)動量矩守恒原理，可得到cu1=0,即無預(yù)旋情況，此時歐拉方程式簡化為： （3.10） (5) 歐拉第二方程： 對速度三角形應(yīng)用余弦定律，可以得出歐拉方程式的另一種形式，它常被稱為歐拉第二方程。 先對出口速度三角形應(yīng)用余弦定律： （3.11） 同樣，對進口速度三角形有： （3.12） 把公式3.11和公式3.12代入歐拉方程式（公式2.8），便得出歐拉第二方程： （3.13） 2、伯努利方程式 伯努利方程式如下： （2.14） 它表明一元穩(wěn)定流動中，外界通過流管側(cè)表面對氣體所作的功I，用以壓縮和輸送氣體的能耗 ，提高氣體的速度能的能耗以及消耗在i－i至e－e截面的損失能。 關(guān)于伯努利方程式的說明： (1) 盡管伯努利方程式也是從熱力學(xué)第一定律導(dǎo)出的，但是它的獨特的含義補充了能量方程。在能量方程式中，熱能與機械能是被同等地看待的，但是在引用了“損失”的概念后，伯努利方程清楚地把機械功I分為三部分，式中前二項為有效功，而第三項則為相伴隨的無效功（損失），從熱力學(xué)第二定律可知，這部分損失是不可避免的，但卻是可以降低的，我們要盡量降低損失。 (2) 把伯努利方程應(yīng)用于葉道內(nèi)部實際流量Mˊ的單位質(zhì)量、并取截面1－1為i－i、2－2為e－e、此時I=Δhth ，得： （3.15） 把上式（公式2.15）與歐拉第二方程（公式2.13）相比較，得： （3.16） 即歐拉第二方程的三項速度能差值，二項用于壓送氣體和克服損失，稱為靜能頭。而余 下的項則稱為動能頭。 (3) 把伯努利方程用于固定元件，例如擴壓器，此時取3－3截面為i－i截面，4－4截面為e－e截面，又因為固定元件沒有功加入，故I = 0， （3.17） 或 （3.18） 上式說明，固定元件中氣流速度能的減少，轉(zhuǎn)化為氣體的壓送功與流動損失。 (4) 把伯努利方程應(yīng)用于級的壓送過程，取截面1－1（開始壓縮的截面）為i－i，而壓縮終了截面仍以e－e表示，則得 （3.19） 3.1.3級內(nèi)損失簡介 總能量頭Δhtot、漏氣損失Δhlk、與輪阻損失Δhdf 葉輪對流過它內(nèi)部每公斤質(zhì)量氣體作功為Δhth，由于其內(nèi)部的實際流量Mˊ為有效流量M與輪蓋漏氣量MLK之和，因此葉輪對流過它內(nèi)部的氣體所作功率為 （3.20） 但是當(dāng)葉輪以高速旋轉(zhuǎn)時，其外表面與氣體相摩擦，也要消耗功率Ndf，因此可得到葉輪的總功率為： （3.21） 由于我們從每一級所得到的，只是有效流量M，因此在實際計算對單位質(zhì)量氣體所作的功時，應(yīng)以有效流量M為基礎(chǔ)做計算。 （3.22） 式中各項說明： 是漏氣損失（如圖2.3所示）功率，MLKΔhth分攤給單位有效流量M的數(shù)值，稱為輪蓋漏氣損失 圖3.3 輪蓋漏氣損失 是輪阻損失功率，Ndf分攤給單位有效流量M的數(shù)值，稱為輪阻損失 是葉輪對氣體所作的總功率分攤給單位有效流量的數(shù)值，稱為葉輪的總能量頭 于是，上式（公式2.22）即為： （3.23） 令輪蓋漏氣損失系數(shù)為： 令輪阻損失系數(shù)為： 則 而級的總功率為： 以上的設(shè)計方法和基本原理，就是設(shè)計計算的計算依據(jù). 3.2 氣體組分及運行條件 表3.1 氣體組分表 氣體組分 氣體分析（摩爾%） 分子量 額定、正常 重石腦油 開工 　 　 1段 2段 1段 2段 *2 硫化氫 　 *1 *1 *1 *1 　 甲 烷 　 87.37 87.37 90.43 90.98 　 乙 烷 　 2.89 2.91 2.42 2.43 　 丙 烷 　 2.88 2.88 2.15 2.15 　 正丁烷 　 1.75 1.71 1.41 1.39 　 異丁烷 　 1.06 1.04 0.85 0.84 　 正戊烷 　 0.39 0.36 0.29 0.28 　 異戊烷 　 0.79 0.73 0.59 0.57 　 C6+ 　 1.83 1.12 1.37 0.92 　 CP 　 0.02 0.01 0.01 0.01 　 2MP 　 1.02 0.84 0.48 0.43 　 氧 氣 　 　 　 　 　 　 水蒸汽 　 *1 *1 *1 *1 　 二氧化碳 　 　 　 　 　 　 一氧化碳 　 　 　 　 　 　 氮 氣 　 　 　 　 　 　 HCL 　 *1 *1 *1 *1 　 其 他 　 　 　 　 　 　 總 計 　 100 100 100 100 100 平均分子量 　 9.54 8.67 7.82 7.35 2.0-3.0 備注： *1、正常操作時HCL含量為1-3ppm.vol;開工工況為5ppm.vol。正常操作時H2S含量為1ppm.vol；開工工況為3ppm.vol。 *2、高純度含氫氣體分子量為2.0-3.0。 表3.2運行條件表 運行條件 正常（輕石腦油） 額定（110%） 開工 1段 2段 1段 2段 1段 2段 體積流量（m3/h） 110658.5 109359.8 121724 120296 58000 38000 質(zhì)量流量（kg/h） 47080 42301 51788 46531 5220 3420 進口條件 壓力（MPa） 0.62 1.25 0.62 1.26 0.41 0.450 溫度（℃） 40 40 40 40 40 40 相對濕度（%） 分子量 9.54 8.67 9.54 8.67 2.016 2.016 K（平均） 1.29 1.31 1.29 1.31 1.4 1.4 壓縮因子（Z平均） 1 1 1 1 1 1 進口容積流量（m3/h） 20619.2 10070 22681 11000 16400 9020 出口狀況 壓力（MPa） 1.29 2.78 1.30 2.78 0.490 0.61 溫度（℃） 103.9 122.0 104.8 123.1 60.6 67.2 K（平均） 1.26 1.27 1.26 1.27 1.4 1.4 Z（平均） 1.0 1.01 1.0 1.01 1.0 1.0 各段所需功率（KW） 3563 4450 3968 4941 478 421 機組總功率（KW） 8013 8909 899 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） 8528 8765 8940 預(yù)計喘振限（m3/h） 17000 8000 18700 8450 14100 7600 變能量頭（kgm/kg） 22520 27630 22780 27370 24529 29500 多變效率 0.85 0.76 0.843 0.74 0.81 0.74 保證點 是 是 - - - - 性能曲線數(shù) 4 4 4 4 4 4 3.3 氣動計算方法及分析 3.3.1原始的數(shù)據(jù)： 原始數(shù)據(jù)參數(shù)，包括壓縮機總流量、壓縮機進口壓力、壓縮機出口壓力、壓縮機進口氣流速度、壓縮機轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速、壓縮機葉輪周向速度、壓縮機總功率。如表3.1和表3.2所示。 3.3.2進氣道參數(shù)及其原理公式： 1.葉輪對氣體所做的絕熱壓縮功 2.葉輪出口的圓周速度 （取） 3.取近氣道出口的速度 4.進氣道內(nèi)空氣降溫 5.進氣管出口溫度 6.進氣管多彎指數(shù) 7.進氣管出口空氣壓力 8.進氣道出口空氣密度 9.進氣道出口面積 3.3.3壓縮機葉輪參數(shù)及其原理公式： 10.取葉輪外徑 11.轉(zhuǎn)速 12.取葉輪進出口直徑比 13.葉輪進口外徑 14.葉輪進口內(nèi)徑 15.葉輪進口平均直徑 16.葉輪進口外徑處的圓周速度 17.葉輪進口處的圓周速度 18.葉輪進口處的圓周速度 19.葉輪葉片數(shù) 20.取葉輪進口的堵塞系數(shù) 21.葉輪進口軸向速度 22.葉輪進口相對速度 23.葉輪進口馬赫數(shù) 24.葉輪進口處的氣流角 25.葉輪進口處的氣流角 26.葉輪進口處的氣流角 27.取沖角 28.葉輪進口處的葉片角 29.取工作輪葉片數(shù) 30.滑差系數(shù) 31.葉輪出口氣流圓周向分速 32.取葉輪出口氣流徑向分速 33..葉輪出口氣流速度 34.葉輪出口氣流角 35.取葉輪出口葉片角 36.取葉輪出口葉片厚度 37.葉輪出口阻塞系數(shù) 38.取葉輪出口氣流密度 39.葉輪出口寬度 40.取輪阻損失系數(shù) 41.葉輪出口氣溫 42.取葉輪多數(shù)效率 43.多變指數(shù)項 44.多變指數(shù) 45.葉輪出口氣體壓力 46.葉輪出口氣體密度 47.氣體密度誤差 48.葉輪出口馬赫數(shù) 49.無葉擴壓器寬度 50.入口氣流周向分速 51.入口氣流徑向分速 52.入口氣流角 53.入口氣流速度 54.入口氣流溫度 55.入口氣流壓力 56.入口氣流密度 57.取出口轉(zhuǎn)徑比 58.出口輪徑 59.出口密度（?。? 60.出口氣流速度 61.出口氣流溫度 62.馬赫數(shù) 63.取多變效率 64.多變指數(shù)項 65.出口空氣壓力 66.出口空氣密度 67.密度誤差 68.出口寬度 69.出口徑向分速 70.出口周向分速 71.出口氣流角 72.長度 3.3.4無葉擴壓器參數(shù)及其原理公式： 73.取輪徑比 74.出口直徑 75.出口寬度 76.進氣口沖角 77.葉片進口角 78.葉片出口角 79.葉片進口阻塞系數(shù) 80.進口通道面積 81.葉片數(shù) 82.進口喉部寬度 83.設(shè)出口氣流密度 84.出口氣流速度 85.出口空氣溫度 86.多變效率 87.多變指數(shù)項 88.出口空氣壓力 89.出口空氣密度 3.3.5蝸殼參數(shù)及其原理公式： 90.蝸殼出口氣流速度 91.出口空氣溫度 92.多變效率 93.多變指數(shù)項 94.出口壓力 95.蝸殼出口密度 96.出口滯止溫度 97.出口滯止壓力 3.3.6壓縮機參數(shù)校核及其原理公式： 98.增壓比 99.滯止增壓比 100.等熵壓縮功 101.壓頭系數(shù) 102.絕熱效率 103.功率 使用上面所述的原理公式計算，得出正常工況下的氣動結(jié)果： 總流量為112659.0 Nm3/hr, 進口壓力為6.324 ata, 出口壓力為28.356 ata， 進口速度為40 m/s。 （ata是“ablosute? atmosphere”的縮寫，它是絕對大氣壓的單位，0.1MPa≈1ata[2]） 根據(jù)具體的運行條件、要求達到的性能，通過計算結(jié)果選出了滿足要求的最佳方案，即離心壓縮機采用筒型壓縮機，共分為9級，葉輪外經(jīng)為600mm，機組額定轉(zhuǎn)速為8428n/min,周向速度為258.36m/s?？偣β蕿?787.72KW。 4 壓縮機強度設(shè)計及軸向推力計算 4.1 轉(zhuǎn)子強度設(shè)計 強度分析主要包括單個葉輪的強度分析和轉(zhuǎn)子軸系的動力學(xué)分析。單個葉輪的強度分析包括葉輪應(yīng)力計算、葉輪的輪盤自振頻率分析、葉輪的葉片自振頻率分析；轉(zhuǎn)子軸系的動力學(xué)分析包括轉(zhuǎn)子彎曲臨界轉(zhuǎn)速及不平衡響應(yīng)計算、扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速計算、扭振應(yīng)力分析及主軸和鍵的強度計算。 回轉(zhuǎn)剛體重量、重心、轉(zhuǎn)動慣量計算及軸向推力計算、平衡盤尺寸確定也包含在本部分內(nèi)容中。 氣體激振也是轉(zhuǎn)子動力學(xué)分析的關(guān)鍵內(nèi)容。氣體激振是指在高壓壓縮機（氣體壓力大于40ata）中由于葉輪內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離而產(chǎn)生的對機器的氣體激勵[9]。對于大分子量及壓力高的的離心壓縮機，如化肥裝置中的壓縮機和合成氣壓縮機，在方案設(shè)計中需要考慮此類問題。 自激振動是指壓力高、分子