某型号离心式压缩机的技术分析与改进

　　离心式压缩机中采用的叶轮结构型式有开式，半开式和闭式叶轮3种。其中，开式叶轮由于叶片两边敞开，刚性差，效率*低，用得很少；半开式叶轮因无轮盖，强度高，制造简单，但效率不高；闭式叶轮效率高，但结构复杂，强度较差。因此，对于高压力比或单级离心式压缩机，或小功率燃气轮机中的增压机，或透平增压器等，常采用半开式叶轮。由杭州振兴工业泵厂生产的LYJ1500离心式氯气压缩机（简称氯压机），就采用两段压缩的两级半开式叶轮的结构。从设计角度分析了该机排气温度较高及气量不足的原因。

　　1LYJ1500氯压机的特点

　　半开式叶轮离心式压缩机由于采用半开式叶轮，强度高，允许圆周速度高（钢制半开式叶轮圆周速度u2！450~540m/s；闭式叶轮圆周速度u2！290~320m/s），因而单级压力比高，级数少，体积小，广泛用作运输式压缩机。近年来，半开式叶轮离心式压缩机在固定式压缩机领域也获得越来越广泛的应用。

　　半开式叶轮离心式压缩机主要有以下特点：全部或部分采用半开式叶轮，叶轮叶片大多数采用径向直叶片；叶轮进口采用导风轮；采用叶片扩压器；叶轮悬臂式居多；转速高，单级压力比高。因此一般级数少，体积小；单级居多。

　　LYJ1500氯压机的压缩介质为氯气，溶于水，有剧毒和腐蚀性，化学分子式为Cl2，分子质量70.906，临界压力7.699MPa，临界温度143.85（417.0 K），偏心因子0.073，偶极矩0.2.当氯气温度达到149时，氯气容易发生氯火。因此，氯气压缩机的各级排气温度都要远离149氯火温度。

　　LYJ1500氯压机属于半开式叶轮离心式压缩机的范畴，其特点如下：压缩的气体介质氯气有毒和腐蚀性，容易产生氯火危险；采用两段两级压缩，且两级均为半开式径向直叶片叶轮；两级半开式叶轮均为悬臂式布置；两级齿轮增速，转速高，单级压力比高，体积小；叶轮进口采用导风轮；采用叶片扩压器；轴封采用带缓冲气的梳齿迷宫密封；电机驱动。

　　2半开式叶轮离心式压缩机的分析计算方法

　　半开式叶轮离心式压缩机分析计算的目的，就是根据离心式压缩机的设计条件和离心式压缩机通流部分的几何参数，逐级确定离心式压缩机通流部分各特征截面上的气动热力参数。下面仅列出导风轮和叶轮的主要计算公式。

　　21导风轮分析计算

　　导风轮进口温度/KT1=Tin-c#1z 2 /（2Cp）

　　导风轮进口压力/MPaP1=Pin（T1/Tin ic）

　　导风轮进口密度/（kg/m 3）1= 106 P1/（RT1）

　　导风轮进口顶部周速/（m/s）u1t=nD1/60导风轮进口平均直径处周速/（m/s）

　　u1m=nD1m/60导风轮进口根部周速/（m/s）u1h=nd/60导风轮进口顶部气流角/（）！1t=arctan（c1z#/u1t）

　　导风轮进口平均直径处气流角/（）！1m=arctan（c1z#/u1m）

　　导风轮进口根部气流角/（）！1h=arctan（c1z#/u1h）

　　导风轮进口顶部冲角/（）

　　i1t=！1At-！1t=1~6（2~8）

　　导风轮进口平均直径处冲角/（）

　　i1m=！1Am-！1m=1~6（2~8）

　　导风轮进口根部冲角/（）

　　i1h=！1Ah-！1h=1~6（2~8）

　　导风轮进口顶部相对速度/（m/s）

　　w1t#=（c1z#2 +u1t 2）0.5导风轮进口平均直径处相对速度/（m/s）

　　w1m#=（c1z#2 +u1m 2）0.5导风轮进口根部相对速度/（m/s）

　　w1h#=（c1z#2 +u1h 2）0.5导风轮中气流能量损失/（J/kg）

　　hh1=1w1m# 2 /2 22叶轮分析计算

　　半开式径向型叶轮滑移系数（功率系数，环流系数）#采用两个计算公式：%格柴张公式#=1/{1+2/（3Z2）/<1-（D1m/D2）2 >} &斯坦尼兹公式#=1-0.63/Z2=1-2/Z2叶轮轮盘摩擦鼓风损失/（J/kg）hr=u2 2叶轮出口前密度速度积/<kg/（sm2）> 2c2r#=qm/（D2b 2 %2）

　　初选叶轮出口前气流径向速度/（m/s）c2r#=c1z叶轮中气流能量损失/（J/kg）hh2=2c2r#2 /2叶轮出口前气流绝对速度/（m/s）

　　c2 # =（c2r# 2 +c2u2）

　　0.5叶轮中气流总损失/（J/kg）&h=hh1+hh2+hr叶轮出口前气流温度/K T2#=T1+<u2c2u+hr-（c2# 2 -c1z# 2）/2>/Cp叶轮中气流多变指数系数i=k-&h/<R（T2#-T1）>叶轮中气流多变指数mi=i/（i-1）

　　叶轮多变效率i=i/k叶轮出口前气流压力/MPa P2#=P1（T2#/T1）

　　i叶轮出口前气流质量密度/（kg/m 3）

　　2#=106 P2#/（RT2#）

　　叶轮出口外气流径向速度/（m/s）c2r=%2c2r#叶轮出口外气流绝对速度/（m/s）

　　c2=（c2r 2 +c2u 2）0.5叶轮出口外气流出口角/（）2=arctan（c2r/c2u）

　　叶轮出口外气流相对速度/（m/s）

　　w2=<c2r 2 +（u2-c2u）2 >0.5叶轮扩压度w1m#/w2！1.6~1.8（2.0）

　　叶轮出口外气流滞止温度/K T2st=T2#+c2#2 /（2Cp）

　　叶轮出口外气流温度/K T2=T2#+（c2#2 -c2 2）/（2Cp）

　　叶轮出口外气流压力/MPaP2=P2#叶轮出口外气流质量密度/（kg/m3）

　　2=106 P2/（RT2）

　　校核叶轮出口前气流径向速度/（m/s）

　　c2r=（2c2r#）/2叶轮出口前速度比c2r#/u2=0.25~0.35叶轮出口外气流声速/（m/s）a2=（kRT2）0.5叶轮出口外气流马赫数Mc2=c2/a2叶轮出口流量系数（2r=c2r/u2=0.24~0.40叶轮出口周速系数（2u=c2u/u2具体计算时采用半开式叶轮离心式压缩机分析计算程序进行。

　　程序特点：采用菜单设计技术，用户界面友好；采用汉字环境，计算结果一目了然；采用模块结构设计，易于程序修改；输入数据采用文件集中输入，不用人机对话，提高计算速度；变量采用数组结构，便于集中打印；计算过程中的参数打印详细，以便分析；采用数值迭代方法计算c1z#，c2r#，2/3，3/4等参数，提高计算精度；叶轮滑移系数#采用格柴张，斯坦尼兹等公式计算；无叶扩压器和叶片扩压器的计算都采用给定多变指数和给定损失系数两种方法；无叶扩压器和叶片扩压器都采用等宽度。

　　本程序的输入数据分别是：计算日期，压缩介质，级数，机械效率，气体等熵指数，气体分子量，级进口压力，级进口温度，级出口压力，级质量流量，转数，进气部分损失系数，导风轮损失系数，叶轮损失系数，轮盘摩擦鼓风损失系数，无叶扩压器多变指数（无叶扩压器损失系数），叶片扩压器多变指数（叶片扩压器损失系数），导风轮进口外径，导风轮进口平均直径，导风轮进口内径，导风轮进口顶部叶片角，导风轮进口平均直径处叶片角，导风轮进口顶部叶片角，导风轮进口平均直径处叶片角，导风轮进口根部叶片角，导风轮叶片数，导风轮进口叶片厚度，叶轮外径，叶轮出口叶片宽度，叶轮叶片数，叶轮出口叶片厚度，无叶扩压器出口直径，叶片扩压器出口直径，叶片扩压器进口叶片角，叶片扩压器出口叶片角，叶片扩压器叶片数，叶片扩压器进出口有效宽度比。

　　输入数据单位全部采用国际单位，即MPa，，kg/s，m/s，r/min，degree，piece，m. 3LYJ1500氯压机分析计算

　　31设计条件

　　压送气体：氯气；气体等熵指数：1.36；气体分子质量：70.91；进口压力：一级0.085MPa，二级0.19 MPa；进口温度：一级30，二级30；出口压力：一级0.2MPa，二级0.4MPa；流量：1500m3 /h（1.34042kg/s）；出口温度：各级！149；转速：22 500r/min；电机功率：132kW. 32分析第1级出口温度偏高，接近149的氯火温度，且两级温度相差较大；两极的压力比分配不合理；设计流量偏低；叶轮进口流量系数过小，第2级尤甚；叶轮出口流量系数过24氯氢处理氯碱工业2000年第2期小；导风轮进口冲角过大；无叶扩压器气流多变指数过大，导致无叶扩压器中效率过低；无叶扩压器出口气流角不等于叶片扩压器进口叶片角，气流进入叶片扩压器有冲角；无叶扩压器出口气流马赫数过大。

　　4改进措施

　　由于LYJ1500氯压机设计上存在很多缺陷，因此必须对该机进行一系列改进设计，如重新设计导风轮及其叶片型线，重新设计叶轮，重新设计无叶扩压器，重新设计叶片扩压器及其叶片型线，注重级内参数及两级之间的优化匹配等。其中重点放在导风轮和叶轮的设计上：重新设计导风轮及其叶片型线，使气流进入导风轮时冲击损失量小，进口流量系数合适；重新设计叶轮，使两级的压力比分配合理，两级的出口温度远离149的氯火温度，流量达到设计要求，出口流量系数合适。

　　5结语

　　（1）半开式叶轮离心式压缩机的分析计算，是已知压缩机的几何参数及设计条件，确定压缩机各特征截面上的气动热力参数，以便了解压缩机性能。

　　（2）半开式径向直叶片叶轮压力比高，通流能力大，常用于悬臂式的单级或双级离心式压缩机中。

　　（3）计算结果表明，LYJ1500氯压机设计上存在出口气温偏高，两级的压力比分配不合理，设计流量偏低，叶轮进口流量系数过小，叶轮出口流量系数过小，导风轮进口冲角过大，无叶扩压器气流多变指数过大，气流进入叶片扩压器有冲角，无叶扩压器出口气流马赫数过大等多种缺陷。

　　（4）LYJ1500氯压机的缺陷，可通过重新设计导风轮及其叶片型线，重新设计叶轮，重新设计无叶扩压器，重新设计叶片扩压器及其叶片型线，注意级内参数及两级之间的优化匹配等措施加以改进。其重点放在导风轮和叶轮的改进设计上。

　　（5）氯火是氯气压缩机的*大安全隐患，尽可能使各级的出口温度远离149的氯火温度是氯气压缩机设计的一条重要准则。

　　（6）改进后的LYJ1500氯压机可取代目前在烧碱行业中广泛使用的纳氏泵（750m3 /h和1000 m3 /h）。与纳氏泵效率低，寿命短，污染环境等相比，LYJ1500氯压机效率高，寿命长，不污染环境。