机械制造专业毕业设计论文bcl609型压缩机结构设计.docx
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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
Abstract
ThedesignoftheturbinetypecompressorisconcreteislargearomaticsdeviceBCL-609turbocentrifugalcompressorThisdesignmainlyincludestheairoperatedcomputationthestrengthcalculationthemainbodytodesignandsoonseveralparts
WhatairoperatedcomputationdesignistheflowchannelpartwhatthedesignmainlyusesisprinciplesandsoonvelocitytrianglelawEulersequationcarriesonthedesigncalculation
ThestrengthcalculationdesignismainlyforexamineswhencompressorhighspeedrevolvingasaresultoftheimpellerandtheaxisthestresswhichthefullcoordinationproduceswhethercansatisfythemachinesafeoperationtheallowablestressGuaranteewhenmachinenormaloperationeachspotstressissmallerthananallowablestressStrengthcalculationherenolongerindetailexplained
ThemainbodydesignsthecompressorstructuraldesignwhichcompletesmainlytoincludethestatorandrotorsdesignAccordingtoairoperatedcomputationstrengthcalculationsresulttodeterminationthesizeofmainaxlethrustbearingsteadybearingsbalancediscairadmissionsnailroomandexhaustsnailroomsareathusenablesthemachinetoachieveairoperatedtheintensityandsoondesignrequirements
KeyWordsCentrifugalcompressorAiroperatedcomputationStrengthcalculationStatorRotor
1绪论1
11课题背景和意义1
12国内外研究现状1
13课题主要内容2
2离心式压缩机的总体设计3
21基本概述3
22离心式压缩机本体结构3
23离心式压缩机基本原理4
24离心式压缩机概述5
25离心式压缩机本体结构特点说明5
26转子及叶轮6
27底座6
28润滑和调节油联合系统7
3BCL609缸体气动计算8
31气动计算依据的原理8
com叶轮进出口速度三角形8
com基本方程10
com失简介12
32气体组分及运行条件14
33气动计算方法及分析16
com数据16
com参数及其原理公式16
com叶轮参数及其原理公式17
com无叶扩压器段参数21
com压器参数及其原理公式23
com数及其原理公式24
com参数校核及其原理公式24
4BCL609离心式压缩机强度设计及轴向推力计算26
41转子强度设计26
com叶轮强度计算概述26
com叶轮应力计算原理26
42定子强度设计27
com概述27
com进出风口厚度计算28
com端盖厚度计算28
43机壳部分计算29
com机壳厚度计算29
com机壳端部厚度的计算30
44轴向推力计算30
com平衡盘尺寸的确定32
com轴向推力考虑的三个因数32
5BCL609离心式压缩机本体设计36
51转子的结构设计36
com转子结构总述36
com叶轮36
com主轴39
com推力盘40
com轴套40
com平衡盘40
com联轴器41
com转子上的各螺母41
52定子的结构设计41
com机壳41
com扩压器42
com回流器42
com蜗室43
com密封43
6喘振现象的判断及防止48
61喘振现象的判断方法48
com象的判断方法归纳48
com缩机的几种防喘振条件48
com缩机防喘振控制系统50
62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
BCL609
______共9级叶轮
______叶轮名义直径为60cm600mm
______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API617[12]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]
27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Class600法兰结构示意图
3BCL609缸体气动计算
31气动计算依据的原理
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1-1及截面2-2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
1-12-2cu进入1-1截面时其相对速度
1离开2-2截面时其绝对速度2指截面上的圆周速度其大小34
567此时称为无预旋情况[4]
com基本方程
181欧拉方程式是在假设叶轮内气体的相对运动稳定1-1截面及2-2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0-0至截面1-1间如忽略壁面对气体的磨擦力则外力矩T=0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94无预旋情况时的欧拉方程式
对于大多数情况叶轮进口0-0上的气流绝对速度是沿轴向的由于截面0-0至1-1间壁面摩擦影响不大故根据动量矩守恒原理可得到cu10即无预旋情况此时欧拉方程式简化为
105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
111213214提高气体的速度能的能耗以及消耗在i-i至e-e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Mˊ的单位质量并取截面1-1为i-i2-2e-e1516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3-3截面为i-i截面4-4截面为e-e截面又因为固定元件没有功加入故I0
17184把伯努利方程应用于级的压送过程取截面1-1开始压缩的截面为i-i而压缩终了截面仍以e-e表示则得
19202122是漏气损失如图33所示功率MLKΔhth分摊给单位有效流量M的数值称为轮盖漏气损失
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 8255835285118563 硫化氢 1111 甲烷 482488532535 乙烷 289291242243 丙烷 288288215215 正丁烷 175171141139 异丁烷 106104085084 正戊烷 039036029028 异戊烷 079073059057 C6 183112137092 CP 002001001001 2MP 102084048043 氧气 水蒸汽 1111 二氧化碳 一氧化碳 氮气 HCL 1111 其他 总计 100100100100100平均分子量 95486778273520-30
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3ppmvol
2高纯度含氢气体分子量为20-30
表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m3h1260410450温度℃404040404040分子量95486795486720162016K平均1291311291311414压缩因子Z平均111111进口容积流量m3h206192100702268111000164009020出口状况压力MPa1292781302780490061温度℃1039122010481231606672K平均1261271261271414Z平均10101101011010各段所需功率KW3563445039684941478421机组总功率KW80138909899转速转分852887658940预计喘振限m3h170008000187008450141007600变能量头kgmkg225202763022780273702452929500多变效率0850760843074081074保证点是是----性能曲线数444444
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m57kgs增压比π20环境压力1013×105pa环境温度T0273K环境密度ρRT0129kgm3空气气体常数R287空气绝热指数K14[7]
com参数及其原理公式
1叶轮对气体所做的绝热压缩功
66056Jkg324
2叶轮出口的圆周速度
307ms取325
3取近气道出口的速度
4进气道内空气降温
326
5进气管出口温度
6进气管多弯指数
取137
7进气管出口空气压力
327
8进气道出口空气密度
328
9进气道出口面积
329
com叶轮参数及其原理公式
1取叶轮外径
600mm
2转速
330
3取叶轮进出口直径比
4叶轮进口外径
5叶轮进口内径
取340mm
6叶轮进口平均直径
331
7叶轮进口外径处的圆周速度
332
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Zc17
11取叶轮进口的堵塞系数
取09
12叶轮进口轴向速度
13叶轮进口相对速度
333
14叶轮进口马赫数
334
15叶轮进口处的气流角
335
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i2o
19叶轮进口处的叶片角
20取工作轮叶片数
21滑差系数
336
22叶轮出口气流圆周向分速
337
23取叶轮出口气流径向分速
24叶轮出口气流速度
338
25叶轮出口气流角
339
26取叶轮出口叶片角
27取叶轮出口叶片厚度
15mm-5mm
28叶轮出口阻塞系数
340
29取叶轮出口气流密度
30叶轮出口宽度
341
31取轮阻损失系数
32叶轮出口气温
342
33取叶轮多数效率
取083
34多变指数
343
35多变指数项
344
36叶轮出口气体压力
345
37叶轮出口气体密度
346
38气体密度误差
347
39叶轮出口马赫数
348
com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
349
4入口气流角
350
5入口气流速度
351
6入口气流温度
352
7入口气流压力
353
8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
354
13出口气流温度
355
14马赫数
356
15取多变效率
取08
16多变指数项
357
17出口空气压力
358
18出口空气密度
359
19密度误差
20出口宽度
21出口径向分速
360
22出口周向分速
361
23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
362
5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
363
10多变效率
com数及其原理公式
1蜗壳出口气流速度
2364
3多变效率
4出口压力
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