1、机械制造专业毕业设计论文bcl609型压缩机结构设计机械制造专业毕业设计（论文）-BCL-609型压缩机结构设计 摘 要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
2、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 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 main body to design and so on several partsWhat air operated co
3、mputation 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 calculationThe strength calculation design is mainly for examines when compressor high speed revolving as a result of the impeller and the axis th
4、e 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 explainedThe main body designs the compressor s
5、tructural 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 disc air admission snail room and exhaust snail room s area thus enables th
6、e machine to achieve air operated the intensity and so on design requirementsKey Words Centrifugal compressorAir operated computationStrength calculationStatorRotor1 绪论 111 课题背景和意义 112 国内外研究现状 113 课题主要内容 22 离心式压缩机的总体设计 321 基本概述 322 离心式压缩机本体结构 323 离心式压缩机基本原理 424 离心式压缩机概述 525 离心式压缩机本体结构特点说明 526 转子及叶轮
7、627 底座 628 润滑和调节油联合系统 73 BCL609缸体气动计算 831 气动计算依据的原理 8com 叶轮进出口速度三角形 8com 基本方程 10com失简介 1232 气体组分及运行条件 1433 气动计算方法及分析 16com数据 16com参数及其原理公式 16com叶轮参数及其原理公式 17com 无叶扩压器段参数 21com压器参数及其原理公式 23com数及其原理公式 24com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 2641 转子强度设计 26com 叶轮强度计算概述 26com 叶轮应力计算原理 2642 定子强度设计 27c
8、om 概述 27com 进出风口厚度计算 28com 端盖厚度计算 2843 机壳部分计算 29com 机壳厚度计算 29com 机壳端部厚度的计算 3044 轴向推力计算 30com 平衡盘尺寸的确定 32com 轴向推力考虑的三个因数 325 BCL609离心式压缩机本体设计 3651 转子的结构设计 36com 转子结构总述 36com 叶轮 36com 主轴 39com 推力盘 40com 轴套 40com 平衡盘 40com 联轴器 41com 转子上的各螺母 4152 定子的结构设计 41com 机壳 41com 扩压器 42com 回流器 42com 蜗室 43com 密封 43
9、6 喘振现象的判断及防止 4861喘振现象的判断方法 48com象的判断方法归纳 48com缩机的几种防喘振条件 48com缩机防喘振控制系统 5062 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 65透平式压缩机是一种高速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
10、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12 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
11、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
12、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21 基本概述图1 交流直流两用电动机的结构原理2 离心式压缩机本体结构1 吸气室在每段的第一级入口
13、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 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
14、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23 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
15、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22所示图2 压缩机工作原理示意图24 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 _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25 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
16、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15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26 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15倍最大连续转速转子超速
17、测验转速机械运转11倍最大连续转速转子进行高速动平衡1高速动平衡按API61712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127 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
18、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SHT3405-96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尺寸如图23 28 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3 压力等级Class 600法兰结构示意图 3 BCL609缸体气动计算31 气动计
19、算依据的原理com 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31所示图1 压缩机级内截面划分现考察常规叶轮的截面11及截面22图31图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1122cu进入11截面时其相对速度 1离开22截面时其绝对速度 2指截面上的圆周速度其大小 3 4 5 6 7此时称为无预旋情况4com 基本方程1 8 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21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
20、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12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
21、察两任意截面其上气流参数为均匀则可得或 9 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 10 5 欧拉第二方程对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 11 12 132 14 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待的但是在引用了损失
22、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ii22ee 15 16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截面又因为固定元件没有功加入故I 0 17 18 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 19 20 21 22是漏气损失如图33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
23、图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322即为 23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32 气体组分及运行条件表1 气体组分表 气体分析摩尔分子量 额定正常 重石脑油 开工 1段 2段 1段 2段 2 氢 气 8255 8352 8511 8563 硫化氢 1 1 1 1 甲 烷 482 488 532 535 乙 烷 289 291 242 243 丙 烷 288 288 215 215 正丁烷 175 171 141 139
24、 异丁烷 106 104 085 084 正戊烷 039 036 029 028 异戊烷 079 073 059 057 C6 183 112 137 092 CP 002 001 001 001 2MP 102 084 048 043 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 100 100 100 100 100 平均分子量 954 867 782 735 20-30 备注1正常操作时HCL含量为1-3ppmvol开工工况为5ppmvol正常操作时H2S含量为1ppmvol开工工况为3ppmvol2高纯度含氢气体分子量为20-30表
25、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m3h 126 041 0450 温度 40 40 40 40 40 40 分子量 954 867 954 867 2016 2016 K平均 129 131 129 131 14 14 压缩因子Z平均 1 1 1 1 1 1 进口容积流量m3h 206192 10070 22681 11000 16400 9020 出口状况 压力MPa 129 278 130 278 0490 061 温度 1039 1220 1048 1231 606 672 K平均 126 127 126 127 14 14 Z平
26、均 10 101 10 101 10 10 各段所需功率KW 3563 4450 3968 4941 478 421 机组总功率KW 8013 8909 899 转速转分 8528 8765 8940 预计喘振限m3h 17000 8000 18700 8450 14100 7600 变能量头kgmkg 22520 27630 22780 27370 24529 29500 多变效率 085 076 0843 074 081 074 保证点 是 是 - - - - 性能曲线数 4 4 4 4 4 4 33 气动计算方法及分析设计计算如下com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
27、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32及芳烃压缩机相关资料可知空气流量m 57kgs增压比 20环境压力 1013105 pa环境温度T0 273K环境密度 RT0 129kgm3空气气体常数R 287空气绝热指数K 147com参数及其原理公式1叶轮对气体所做的绝热压缩功 66056 Jkg 3242叶轮出口的圆周速度 307 ms 取 3253取近气道出口的速度 4进气道内空气降温 3265进气管出口温度 6进气管多弯指数 取1377进气管出口空气压力 3278进气道出口空气密度 3289进气道出口面积 329com叶轮参数及其原理公式1取叶轮外
28、径 600mm2转速 3303取叶轮进出口直径比 4叶轮进口外径 5叶轮进口内径 取340mm6叶轮进口平均直径 3317叶轮进口外径处的圆周速度 3328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0912叶轮进口轴向速度 13叶轮进口相对速度 33314叶轮进口马赫数 33415叶轮进口处的气流角 33516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 33622叶轮出口气流圆周向分速 33723取叶轮出口气流径向分速 24叶轮出口气流速度 33825叶轮
29、出口气流角 33926取叶轮出口叶片角 27取叶轮出口叶片厚度 15mm-5mm28叶轮出口阻塞系数 34029取叶轮出口气流密度30叶轮出口宽度 34131取轮阻损失系数 32叶轮出口气温 34233取叶轮多数效率 取08334多变指数 34335多变指数项 34436叶轮出口气体压力 34537叶轮出口气体密度 34638气体密度误差 34739叶轮出口马赫数 348com 无叶扩压器段参数1无叶扩压器宽度 2入口气流周向分速 3入口气流径向分速 3494入口气流角 3505入口气流速度 3516入口气流温度 3527入口气流压力 3538入口气流密度 9取出口转径比 10出口轮径 11出口密度取 12出口气流速度 35413出口气流温度 35514马赫数 35615取多变效率 取0816多变指数项 35717出口空气压力 35818出口空气密度 35919密度误差 20出口宽度 21出口径向分速 36022出口周向分速 36123出口气流角 24长度 com压器参数及其原理公式 1取轮径比 2出口宽度 3进气口冲角 4叶片进口角 3625叶片出口角 6叶片进口阻塞系数 7叶片数 17 8设出口气流密度 212kgm2 9出口空气温度 36310多变效率 com数及其原理公式 1蜗壳出口气流速度 2 364 3多变效率 4出口压力
