1、豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 年 7 月 19 号豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 叶轮 扩压器中图分类号：TH452 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2007）02-0016-06Innovation of Designing and Manufacturing Technologies for Process Centrifugal CompressorAbstract: Through the innovation of
2、designing and manufacturing technologies for technic process centrifugal compressor, improve the efficiency and enhance the operation extension of centrifugal compressor. It obtained good economic beneficial result, satisfied with the requirement of customer.Key words: Centrifugal compressor Impelle
3、r Diffuser0 引言近年来，国外大量气动力学方面的科研工作，推动了工艺过程离心压缩机的发展和进步。在这些创新的设计研究和制造技术中，节能和增加压缩机的工作范围以及缩短交货期是放在首要地位的。在石油和石油化工工业中，离心压缩机组的提高效率和性能、提高可靠性和可用性、增加连续操作年限、缩短建设工期、减少投资费用和操作维护费用，为用户及制造厂的共同目标，有特殊重要的意义。 。另外，先进的机械无级变速装置以及高性能数字控制系统和故障自愈调控系统的应用，能提高机组的运转可靠性、可用性和经济性，本文不作专门介绍。 1 设计研究和制造技术的创新 1-3，6豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/
4、篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 提高效率近十多年来，离心压缩机的效率在逐步稳定地提高。效率的提高主要是 3 个方面技术发展的结果。（1）用先进的 CFD 准则和利用科研试验成果，改进流道设计，提高气动效率。（2）改进轴承和密封设计，减少附加损失。（3）运用先进的数控机床和其它创新的制造技术，使复杂几何形状的部件加工得更加精确和粗糙度更好。1.1.1 叶轮的理想和实际能量头的关系用欧拉(EULER)方程算出离心压缩机叶轮的理想能量头与实际能量头之间存在摩擦损失和冲波损失的差距，缩小这个差距，就是提高叶轮的效率，如图 1 所示。图 1 叶轮的理想和实际能量头的关系
5、1.1.2 气动设计的各部匹配压缩机级的叶轮、扩压器和回流器气动设计的匹配非常重要。图 2 是某台压缩机各部相对效率 同对应的相对流量系数 的关系。从图 2 可看出：叶轮效率的优化范围较大，其下降的趋势仅在最大流量或阻塞限；扩压器效率随着流量的增加而提高；回流器效率则随着流量增加而下降；它与叶轮和扩压器的优化不适应，这说明气动设计匹配不佳，必须予以改进。在 1.1.6 中将提到应用 CFD 方法可较好地解决此问题。图 2 压缩机级相对效率 同相对流量系数 的关系1.1.3 优化气动设计如果在设计中选用的流量系数 为 0.070.10，且采用三元叶轮（扭曲叶片）时，离心压缩机会达到最高可能的效率
6、。从图 3 可看出，两种多级离心压缩机（从第一级到最后一级）设计的效率 和流量系数 范围的比较：第一图形为常规设计，第二图形为高流量系数设计，其结果是后者叶轮直径减小 20%，转速增加 25%以及动力消耗节省 5%。_收稿日期：2006-11-29 北京市 100101豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 3 采用高流量系数提高离心压缩机级的效率十多年来，发展了高流量系数叶轮并具有大轮毂/外径比。但是，有 3 个制约条件必须注意：(1)对于多级压缩机，转子动力学准则是最重要的。为了避免轴刚度比的次同步振动，即刚性支承临界转
7、速的最大转速之比（N clrig/Nmax）必须大于 0.40.6，随气体平均密度而定。由于高流量系数叶轮具有较小轴径和较大的轴向长度，以至于每个机壳可装的叶轮数均小于常规设计。那么，就有这样的可能性，即在极端的情况下，采用高效率叶轮需要两个机壳，而同样参数的中等效率叶轮单机壳就够了。一般地说，在这种情况下，减少动力并不能补偿费用的增加。(2)增加转速可能会超过驱动机或齿轮箱的允许极限，应根据特别是小型高压压缩机的实践经验而定。国外某透平机械公司规定，单轴多级离心压缩机的最大转速大致控制在 20 000r/min 左右。(3)高流量系数叶轮在给定叶轮周速下，应力水平大约为常规设计叶轮的 115
8、%。为了保持级能量头，这就导致叶轮材料处于较高的屈服强度，或者当材料屈服强度受限制时（如气体中含 H2S） ，则要降低叶轮的级能量头。因此， 鉴于成本、价格与效率诸因素，压缩机制造公司有时并没有全部采用三元叶轮，而仅第一级采用三元叶轮，其余均采用常规的二元叶轮。1.1.4 增加扩压器的直径比叶轮后的“隔板组件”通常包括一个无叶扩压器、一个回流弯道和一个回流器，见图 4。其作用：（1）将叶轮出口的高动能转换成静压；（2）在进入下一级叶轮前消除流动中的涡流。这意味着“扩压器/回流器”的流道越长，级的总效率就越高（见图 4 中进口 s 到出口 d） 。扩压器的直径比不应超过 1.8。对于一个流量系数
9、为 0.09 的三元叶轮，其叶轮周速为 0.550.93Ma，当扩压器直径比（d 4/d2）从 1.45 提高到 1.65 时，效率可提高 2.5%。对一个加长扩压器而言，叶轮+扩压器的效率（图 4 中 s 到 4）一定会下降，因为改进的效果只是在回流器中实现。回流器较大地减少进口动能损失，即 H5d = C52 /2(其中 H 为能量头； 5d 为 5 到 d； 为能量头损失系数) 。由于在长流道中可消除流动中的涡流，因此，长扩压器对增加效率和操作弹性而言，肯定是一个较好的解决办法。豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/
10、4 压缩机级的示意图1.1.5 改进蜗壳设计最后一级出口末端的“隔板组件”是由一个环形扩压器、一个蜗壳和一个圆锥形出口扩压器组成。蜗壳汇集环形扩压器出口周围的气体并导入圆锥形扩压器和出口管嘴。所有这 3 个元件均实现了从叶轮出口有效地转换大量的动能变为静压。压缩机单个机壳（单缸）最多可以配装 4 套这样的组件，即 4 段带 3 个中间冷却器。MAN TURBO 公司的 K. Luedtke 2提到用 3 种不同蜗壳结构(E 型、F 型、G 型)（图 5）的单级压缩机进行了试验，试验结果表明：G 型蜗壳结构为最优；E 型为常规的设计，级效率是满意的，但由于其周围静压分布不均匀而造成损失，其它缺点
11、为径向尺寸太大，且由于它的圆形截面，铸造是其唯一的制造方法；F 型蜗壳结构具有一个合适的环形扩压器比，其外径比 E 型小，但由于减小了有效扩压器比，结果是流体重新加速造成另外的损失。G 型蜗壳综合 E 型和 F 型的优点，其榫舌位置布置得更远（加大 d4/d2）,并且增加了有效扩压器比，提高了效率。理由：（1）叶轮出口处圆周静压分布均匀；（2）通过蜗壳流速的等级降低了；（3）旋涡速度在长扩压器低流速条件下已显得并不重要。总之，G 型蜗壳效率高、适应性好，易于焊接和铣削加工，可替代 E 型蜗壳。E 型 F 型 G 型图 5 3 种不同蜗壳结构1.1.6 CFD （计算流体动力学）的运用和发展CF
12、D 用于工艺过程离心压缩机的设计研究大约有十多年时间，设计人员使用 CFD 能更好地看到流道中每一点流动截面的形状，并可发现造成升压损失的部位。几年前，使用 CFD 准则还不能完善地分析一个典型离心压缩机的级。因为叶轮有一个旋转框架的参照物，而扩压器、回流弯道、回流器和进口导叶有静止框架的参照物，旋转框架和静止框架的参照物不容易相匹配。现今已有几个 CFD 准则可用于分析整个级的流动，它能较好地匹配叶轮出口、扩压器进口、进口导叶出口豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ CFD 的发展，使得研制人员能在用于试验台上验证的原型
13、机制造前，用 CFD 方法反复分析和改进设计。这样，可以减少为达到设计目标需要的重复次数，因此，缩短了新产品的开发时间，减少了费用。D-R 公司的 Y.I. Biba 等人 3提到用 CFD 计算分析某压缩机新的和旧的压缩级的性能曲线比较，见图 6。图 6 用 CFD 预测 = 0.0146 离心压缩机新级和旧级性能曲线的比较1.1.7 减少流道粗糙度效率变化同摩擦因数有关:c p = - - s 式中 摩擦因数s 功输入系数 = H/u22H 焓差（能量头）u2 叶轮顶速（1- p）sc无因次比例系数 = -对于宽叶轮， c 在 6.08.0 之间；对于窄叶轮（在低马赫数的低值） ，c 在
14、8.012.0 之间。以图 7 为例，当流道粗糙度减少 50%，根据相对叶轮出口宽度和周速马赫数不同，效率可增加 1% 3%。这对于改进低流量系数级的效率很有潜力，尤其在油气工业许多应用中是很典型的。改善粗糙度可以用常规打磨方法，也可用化学和电解抛光的办法。豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/ 7 减少流道粗糙度增加级效率1.1.8 减小叶轮与隔板之间的间隙叶轮轮盖端面至相应隔板之间的轴向间隙会影响轮盘的摩擦损失，减小此间隙就会减少相应的摩擦损失，从而提高了效率。图 8 明确显示出了不同参数（叶轮和隔板间的轴向间隙/叶轮外
15、半径 = a/r2 = 0.02 和 0.10）的影响，以及可能的改进潜力。对于流量系数极低的级（ = 0.01） ，轴向间隙 a 从叶轮半径的 10%降到 2%，效率可改善 1%；对于流量系数（ = 0.025）的叶轮，可改进 1.5%；对于极高流量系数（ 0.1）的叶轮，其效率的提高, 1999.3 Biba, Y.I.; Nye, D.A.; Liu Zheji:“Performance Evaluation and Fluid Flow Analysis in Low Flow Stages of Industrial Centrifugal Compressor”, , Vol. 3
16、 No.2, Dresser-Rand Co., 2000.4 Miller, H.,: “Benefiting from Efficiency Improvements to Gas Compression The Cost Effectiveness of Technology”, Dresser-Rand Co., 2001.5 高金吉.故障自愈技术及其在透平机械上的应用N.2006 年第三届中国国际流体机械展览会快报，2006-11-20 22.6 卢鹏飞.提高工艺装置用离心压缩机效率和性能的途径D.2001 年中国机械工程学会年会论文集，豆丁文档代下载：http:/ （0.1 元/篇）造纸，印染染料请选择 宏浩染料推荐好文档当选：http:/
