2MCL457离心压缩机结构设计说明书

2MCL457离心压缩机结构设计
东北大学
2011年6月
Design of 2MCL457 centrifugal compressor
Northeastern University
June 2011
毕业设计（论文）任务书
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 compressor
Abstract
Compressor 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 people's 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 (II)
Abstract (III)
第1章绪论 (1)
1.1 压缩机简介 (1)
1.1.1 压缩机的分类 (1)
1.1.2 压缩机的用途 (3)
1.2 国内外发展现状 (4)
1.2.1大流量离心压缩机研究现状 (4)
1.2.2小流量离心压缩机研究现状 (7)
1.2.3 压缩机的新发展 (7)
1.3 本课题研究的意义与内容 (9)
第2章工作原理与结构设计 (11)
2.1 离心压缩机的工作原理 (11)
2.1.1 离心压缩机的主要特点 (11)
2.2 压缩机的结构设计及方案选择 (12)
2.2.1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 (14)
3.1 级数选择和各级压力比的分配 (14)
3.1.1 级数的选择 (14)
3.1.2流量系数的选择 (14)
3.1.3理论能量头的计算 (14)
3.1.4轮阻损失与漏气损失系数比的选取 (15)
3.1.5总能量头的计算 (15)
3.1.6多变效率ηpol的选取 (16)
3.1.7各级压力比的选择 (16)
3.2 叶轮主要参数的确定 (17)
3.3 工作气体各个参数的确定以及电动机的选择 (17)
3.3.1 各级出口压力的计算 (17)
3.3.2 出口温度的计算 (18)
3.3.3 各级进口流量及出口流量的计算 (18)
3.3.4 等熵指数的kv2选取 (19)
3.3.5 叶轮出口相对宽度的计算 (19)
3.3.6 电机的选择 (20)
3.4 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）22 4.1 转子的简介及组成 (22)
4.2 叶轮的加工方案及质量控制 (22)
4.2.1缺陷的类型和分析 (22)
4.2.2缺陷处理方法的探讨 (23)
4.2.3补焊处理 (24)
4.3主轴的加工 (25)
4.3.1主轴的特点 (25)
4.3.2主轴的材料 (26)
4.3.3主轴的加工 (26)
4.3转子动平衡方案的选择 (26)
4.3.1高、低速动平衡方案的确定 (27)
4.3.2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0.3~1.0MPa
（4）中压压缩 1.0~10MPa
（5）高压压缩机10~100MPa
（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1~10m3/min
（3）中型压缩机10~100m3/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4~5MPa。

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：²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！²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。

²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。

²自由扩展：单压缩机90－150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。

²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. ²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。

²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。

²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。