机械制造专业毕业设计（论文）BCL609型压缩机结构设计.doc

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1、摘 要本次设计所涉及的透平式压缩机具体是大型芳烃装置BCL-609增压离心式压缩机。设计内容按照进行的过程依次包括气动计算、强度计算、本体设计等过程。其中，气动计算设计重点是流道部分的设计和计算，其利用欧拉方程、速度三角形法等基本原理和方法进行具体设计。强度计算所涉及的内容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，由于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，尤其是尺寸确定。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

2、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。关键词 透平式压缩机；气动计算；强度计算；转子；定子AbstractThe design of the turbine type compressor is concrete is large aromatics deviceBCL-609 turbo centrifugal compressor . This design mainly includes the air operated computation, the strength calculation, the m

3、ain 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, Eulers equation carries on the design calculation.The strength calculation design is mainly for examines when compresso

4、r 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 her

5、e no longer in detail explained.The main body designs the compressor structural design which completes mainly to include the stator and rotors design. According to air operated computation, strength calculations result to determination the size of main axle, thrust bearing, steady bearings, balance

6、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 Words: Centrifugal compressor；Air operated computation；Strength calculation；Stator；Rotor目录1绪论11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状11.3 课题主要内容22 离心式压缩机的总

7、体设计32.1 基本概述32.2 离心式压缩机本体结构32.3 离心式压缩机基本原理42.4 离心式压缩机概述52.5 离心式压缩机本体结构特点说明52.6 转子及叶轮62.7 底座62.8 润滑和调节油联合系统73 BCL609缸体气动计算83.1 气动计算依据的原理83.1.1 叶轮进出口速度三角形83.1.2 基本方程103.1.3级内损失简介123.2 气体组分及运行条件143.3 气动计算方法及分析163.3.1原始的数据163.3.2进气道参数及其原理公式163.3.3压缩机叶轮参数及其原理公式：173.3.4 无叶扩压器段参数213.3.5叶片扩压器参数及其原理公式233.3.6

8、蜗壳参数及其原理公式243.3.7压缩机参数校核及其原理公式244 BCL609离心式压缩机强度设计及轴向推力计算264.1 转子强度设计264.1.1 叶轮强度计算概述264.1.2 叶轮应力计算原理264.2 定子强度设计274.2.1 概述274.2.2 进出风口厚度计算284.2.3 端盖厚度计算284.3 机壳部分计算294.3.1 机壳厚度计算294.3.2 机壳端部厚度的计算304.4 轴向推力计算304.4.1 平衡盘尺寸的确定324.4.2 轴向推力考虑的三个因数325 BCL609离心式压缩机本体设计365.1 转子的结构设计365.1.1 转子结构总述365.1.2 叶轮

9、365.1.3 主轴395.1.4 推力盘405.1.5 轴套405.1.6 平衡盘405.1.7 联轴器415.1.8 转子上的各螺母415.2 定子的结构设计415.2.1 机壳415.2.2 扩压器425.2.3 回流器425.2.4 蜗室435.2.5 密封436 喘振现象的判断及防止486.1喘振现象的判断方法486.1.1喘振现象的判断方法归纳486.1.2透平压缩机的几种防喘振条件486.1.3透平压缩机防喘振控制系统506.2 本设计完成的其他工作介绍51结 论52致 谢53参考文献54附录A 英文原文56附录B 汉语翻译651 绪论1.1 课题背景和意义透平式压缩机是一种高速

10、旋转机械，可以满足工业上对气体压缩的各种需求，应用范围很广，而且在许多领域中是其他类型压缩机所无法替代的。作为一种工业装备，它广泛应用于石油、化工、天然气管线、冶炼、制冷等诸多重要部门；作为燃气涡轮发动机的基本组成元件，在航空、水、陆交通运输和发电等领域随处可见；作为增压器，已成为当代内燃机不可缺少的组成部件。在诸如大型化肥、大型乙烯等工艺装置中，它所需投资巨大，耗能比重大，其性能的高低直接影响装置经济效益，安全运行与整个装置的可靠性紧密相关，因而成为备受关注的心脏设备。1.2 国内外研究现状我国透平式压缩机的发展概况：解放前，我国的透平式压缩机制造业基本上属于空白，只有少数厂能生产少量低压的

11、通风机和鼓风机。新中国成立以来，随着社会主义经济建设的发展，透平式压缩机制造业也从无到有得到迅速发展，除了各大汽轮机厂外，还有许多专业生产厂如沈阳鼓风机厂、陕西鼓风机厂等可以生产各种规格的工业透平式压缩机。后来，我国又相继从国外引进了一些先进机型和技术，缩短了国内和国外的差距。目前我国从通风机、鼓风机到高压离心式压缩机、各种规格的轴流式压缩机都能生产，并为进一步发展打下了坚实的基础。随着科学技术的飞速进步，随着热力学、气体动力学、机械动力学、计算机和现代控制等学科的新成就和一些新技术的运用，透平式压缩机研究成果日新月异。随着现代制造技术的采用，透平式工业压缩机的热力性能和可靠性提高很快，尽管尚

12、有一些问题亟待解决，还有许多课题需要进一步研究，至今确已达到比较完善的程度。为了掌握并不断完善这种机械，需要大量懂得有关现代科学技术，掌握透平式压缩机结构、原理、设计与研究方法的工程技术人员从事设计、开发、操作运行和管理1.3 课题主要内容本次设计所涉及的透平式压缩机具体是大型芳烃装置BCL-609重整氢增压离心式压缩机。设计内容按照进行的过程依次包括气动计算、强度计算、本体设计等过程。其中，气动计算设计重点是流道部分的设计和计算，其利用欧拉方程、速度三角形法等基本原理和方法进行具体设计。强度计算所涉及的内容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，由

13、于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，尤其是尺寸确定。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。设计内容按照进行的过程依次包括气动计算、强度计算、本体设计等过程。2 离心式压缩机的总体设计2.1 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

14、提高。一般的压缩机可分以下几类：如图2.1所示：图2.1 交流直流两用电动机的结构原理本次设计是选取的透平式压缩机中的离心式压缩机作为设计对象。2.2 离心式压缩机本体结构离心式压缩机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、推力盘以及半联轴节等零部件组成。定子由汽缸、隔板、支撑轴承、推力轴承、轴端密封等零部件组成。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

15、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。它随着轴高速旋转，气体在叶轮中受旋转离心力和扩压流动的作用，由叶轮出来后，压力和速度都得到提高，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。(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。一般扩圧器有无叶扩圧器和叶片扩圧器，前者是由前、后隔板组成的通道，而后者则是在前后隔板之间设置叶片。无论哪种扩圧器，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

16、。(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) 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。2.3 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

17、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2.2所示：图2.2 压缩机工作原理示意图2.4 离心式压缩机概述(1) 驱动机采用凝汽式汽轮机(2) 所有与用户管道连接的接口采用法兰连接(3) 压缩机型号的意义：压缩机型号的意义：B C L 60 9 | | |

18、| | | | | | | | |_共9级叶轮| | |_叶轮名义直径为60cm(600mm)| |_离心压缩机及无叶扩压器|_机壳垂直剖分、筒型结构2.5 离心式压缩机本体结构特点说明机型：BCL609；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；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1.5倍进行；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

19、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RJ型，集合管接至底座边缘。2.6 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：1.5倍最大连续转速；转子超速测验转速（机械运转）：1.1倍最大连续转速；转子进行高速动平衡1，高速动平衡按API6171,2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。2.7 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

20、螺栓采用基础贯穿式2。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。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3。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class150（公称压力等级）,管线外径选用SH/T3405-96的管线系列。所有垫片均选用缠绕垫4。附带美国太平洋阀门的凸面法兰

21、尺寸如图2.3。 2.8 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。图2.3 压力等级Class 600法兰结构示意图 3 BCL609缸体气动计算3.1 气动计算依据的原理3.1.1 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3.1所示：图3.1 压缩机级

22、内截面划分现考察常规叶轮的截面11及截面22（图3.1），图3.2 叶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11截面是气体刚进入叶片的截面，22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,，则当气流以进入11截面时，其相对速度： （3.1）而当气流以离开22截面时，其绝对速度： （3.2）式中的指截面上的圆周速度，其大小： （3.3）图3.2表示出了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3.2中，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

23、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3.2，对出口速度三角形作几何分析可得： （3.4）而且从速度三角形可得下述关系： （3.5）对于进口速度三角形，同样有如下关系式： （3.6）及 （3.7）cu有时被称为旋绕，而cu1被称为预旋，在大多数设计工况时，cu10（或），此时称为“无预旋”情况4。3.1.2 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： （3.8） 它表明：只要知道叶轮进、出口截面上的速度u和cu，便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hth5,

24、6。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，11截面及22截面（参见图2.1）上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

25、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00至截面11间，如忽略壁面对气体的磨擦力，则外力矩T0。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 （3.9）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00上的气流绝对速度是沿轴向的，由于截面00至11间壁面摩擦影响不大，故根据动量矩守恒原理，可得到cu1=0,即无预旋情况，此时欧拉方程式简化为： （3.10）(5) 欧拉第二方程：对

26、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： （3.11）同样，对进口速度三角形有： （3.12）把公式3.11和公式3.12代入欧拉方程式（公式3.8），便得出欧拉第二方程： （3.13） 2、伯努利方程式伯努利方程式如下： （3.14）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以及消耗在ii至ee截面的损失能。关于伯努利方程式的说明：(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

27、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5应用于叶道内部实际流量M的单位质量、并取截面11为ii、22为ee、此时I=hth ，得： （3.15）把上式（公式3.15）与欧拉第二方程（公式3.13）相比较，得： （3.16）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33截面为ii截面，44截面为ee

28、截面，又因为固定元件没有功加入，故I = 0， （3.17） 或 （3.18）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11（开始压缩的截面）为ii，而压缩终了截面仍以ee表示，则得 （3.19）3.1.3级内损失简介总能量头htot、漏气损失hlk、与轮阻损失hdf叶轮对流过它内部每公斤质量气体作功为hth，由于其内部的实际流量M为有效流量M与轮盖漏气量MLK之和，因此叶轮对流过它内部的气体所作功率为 （3.20）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Ndf，因此可得到叶轮的总功率为： （3.21）

29、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。 （3.22）式中各项说明：是漏气损失（如图3.3所示）功率，MLKhth分摊给单位有效流量M的数值，称为轮盖漏气损失图3.3 轮盖漏气损失是轮阻损失功率，Ndf分摊给单位有效流量M的数值，称为轮阻损失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于是，上式（公式3.22）即为： （3.23） 令轮盖漏气损失系数为： 令轮阻损失系数为： 则 而级的总功率为： 以上的设计方法和基本原理，就是设计计算的计算依据3.2 气体组分及运行条件表3.1 气体组分表气体分析（摩

30、尔%）分子量额定、正常重石脑油开工1段2段1段2段*2氢 气82.5583.5285.1185.63硫化氢*1*1*1*1甲 烷4.824.885.325.35乙 烷2.892.912.422.43丙 烷2.882.882.152.15正丁烷1.751.711.411.39异丁烷1.061.040.850.84正戊烷0.390.360.290.28异戊烷0.790.730.590.57C6+1.831.121.370.92CP0.020.010.010.012MP1.020.840.480.43氧 气水蒸汽*1*1*1*1二氧化碳一氧化碳氮 气HCL*1*1*1*1其 他总 计10010010

31、0100100平均分子量9.548.677.827.352.0-3.0备注：*1、正常操作时HCL含量为1-3ppm.vol;开工工况为5ppm.vol。正常操作时H2S含量为1ppm.vol；开工工况为3ppm.vol。*2、高纯度含氢气体分子量为2.0-3.0。表3.2运行条件表正常（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）110658.5109359.81217241202965800038000质量流量（kg/h）4708042301517884653152203420进口条件压力（MPa）0.621.250.621.260.410.450温度（）40

32、4040404040分子量9.548.679.548.672.0162.016K（平均）1.291.311.291.311.41.4压缩因子（Z平均）111111进口容积流量（m/h）20619.2100702268111000164009020出口状况压力（MPa）1.292.781.302.780.4900.61温度（）103.9122.0104.8123.160.667.2K（平均）1.261.271.261.271.41.4Z（平均）1.01.011.01.011.01.0各段所需功率（KW）3563445039684941478421机组总功率（KW）80138909899转速（转/

33、分）852887658940预计喘振限（m/h）170008000187008450141007600变能量头（kgm/kg）225202763022780273702452929500多变效率0.850.760.8430.740.810.74保证点是是-性能曲线数4444443.3 气动计算方法及分析设计计算如下：3.3.1原始的数据原始数据参数，包括压缩机总流量、压缩机进口压力、压缩机出口压力、压缩机进口气流速度、压缩机转子额定转速、压缩机叶轮周向速度、压缩机总功率。由表3.2及芳烃压缩机相关资料可知：空气流量m=5.7kg/s，增压比=2.0，环境压力=1.013105 pa，环境温度T

34、0=273K，环境密度=/RT0=1.29kg/m3,空气气体常数R=287，空气绝热指数K=1.473.3.2进气道参数及其原理公式1、叶轮对气体所做的绝热压缩功 =66056 J/kg （3.24）2、叶轮出口的圆周速度 =307 m/s （取） （3.25）3、取近气道出口的速度 4、进气道内空气降温 （3.26）5、进气管出口温度 6、进气管多弯指数 取1.377、进气管出口空气压力 （3.27）8、进气道出口空气密度 （3.28）9、进气道出口面积 （3.29）3.3.3压缩机叶轮参数及其原理公式：1、取叶轮外径=600mm2、转速 （3.30）3、取叶轮进出口直径比 4、叶轮进口外

35、径 5、叶轮进口内径 取340mm6、叶轮进口平均直径 （3.31）7、叶轮进口外径处的圆周速度 （3.32）8、叶轮进口处的圆周速度 9、叶轮进口处的圆周速度 10、叶轮叶片数 取Zc =1711、取叶轮进口的堵塞系数 取0.912、叶轮进口轴向速度 13、叶轮进口相对速度 （3.33）14、叶轮进口马赫数 （3.34）15、叶轮进口处的气流角 （3.35）16、叶轮进口处的气流角 17、叶轮进口处的气流角 18、取冲角 取i=2o19、叶轮进口处的叶片角 20、取工作轮叶片数 21、滑差系数 （3.36）22、叶轮出口气流圆周向分速 （3.37）23、取叶轮出口气流径向分速 24、叶轮出口气流速度 （3.38）25、叶轮出口气流角 （3.39）26、取叶轮出口叶片角 27、取叶轮出口叶片厚度 （1.5mm-5mm）28、叶轮出口阻塞系数 （3.40）29、取叶轮出口气流密度30、叶轮出口宽度 （3.41）31、取轮阻损失系数 32、叶轮出口气温 （3.42）33、取叶轮多数效率 取0.8334、多变指数 （3.43）35、多变指数项 （3.44）36、叶轮出口气体压力 （3.45）37、叶轮出口气体密度 （3.46）