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透平膨胀机转子系统的无限次分析

发布于:2019-02-19 21:51
无限次分析

      透平膨胀机是利用气体膨胀对外做功而得到能量的装备,也是低温空分设备及气体分离和液化装置的重要组成部分。增压透平膨胀机是工业领域较为常见且应用较广的一种膨胀机,其转子系统由膨胀轮、增压轮和主轴等旋转零件组成,其中膨胀轮和增压轮悬挂在主轴的两端形成双悬臂式转子。近年来,冶炼、石化和火电行业的集约化发展对透平膨胀机提出了大型化、高速化和高可靠性的要求。转子系统是透平膨胀机中连接气体膨胀做功和对外输出能量的执行机构,是整个透平膨胀机的“心脏”,其性能的可靠性和稳定性对透平膨胀机的安全运行起着决定性的作用。因此,通过对转子系统的无限次分析,可以了解应力的分布状态,对透平膨胀机的设计和生产具有重要的应用价值和参考意义。
      透平膨胀机转子系统的工作环境错综复杂,受到流场和温度场的耦合作用,另外还受到转子高速旋转引起的离心力及其它作用力。由于流热固三场耦合作用分析难度较大,目前有关透平膨胀机零部件在耦合应力下的强度分析多采用结点集中力等效流场气动力,叶轮的进出口温度等效叶轮表面温度分布,没有对流场和温度场进行详细的分析且忽略了各个物理场之间的相互作用关系,导致关键零部件的强度分析不够精确,给转子系统的结构设计造成了一定的误差和隐患。为了真实地反映流场和温度场在转子系统上的载荷分布,进行流热固三场耦合计算,本文使用CFX进行叶轮内部流场分析,ANSYS进行转子系统热分析和结构分析,应用ANSYS Workbench来实现流场、温度场和结构场之间的耦合作用,完成透平膨胀机转子系统在耦合应力下的强度分析
      耦合分析是指考虑两个或两个以上物理场之间的交叉作用和相互作用的分析类型。目前用于求解耦合分析问题的方法主要有直接耦合法(强耦合法)和顺序耦合法(弱耦合法)。直接耦合法通过改写各物理场的控制方程,构造出统一的求解方程并直接求解。该方法不存在时间滞后问题,但是求解时要求各场网格一致,实际应用价值不高。相反,顺序耦合法按照一定的顺序依次求解各个物理场的控制方程,并在各场交界面通过插值运算交换信息从而实现耦合求解。该方法的优点在于各物理场求解过程相互独立,可以最大化地利用己有数值分析的方法和程序,缩短计算时间。因此,本文采用顺序耦合法进行透平膨胀机转子系统流热固三场耦合分析计算,由于只考虑转子结构的静力学性能,各物理场交界面处采用单向数据传递模式,其计算流程如图所示,包含流场分析,热分析和结构分析。在三场耦合分析的计算过程中,叶轮表面气体压强在流固交界面处从流场单向传递到结构场,叶轮表面温度在流热交界面处从流场单向传递到温度场。热分析导热微分方程是求解转子系统传热问题的控制方程,对于各向同性材料,导热微分方程在笛卡尔坐标系下可以表达为如下形式:根据位移列阵可以计算出应力和应变等参数,应用第四强度理论完成结构的强度分析。
      根据转子系统的实际模型,建立流热固三场耦合分析所需要的计算模型,整个过程包括三维建模,网格划分,载荷和边界条件及其它相关参数的设置。首先采用叶片设计专用软件B1adeGen完成膨胀轮和增压轮叶片的几何造型,然后在Design Modeler中完成全流道流场的三维建模。出于CFD计算收敛性和稳定性方面的考虑,适当地延长了叶轮的入口段和出口段,采用四面体划分法和扫掠法相结合的方式对流场模型进行网格划分,即对入口段和出口段采用四面体划分法而对叶轮流道内的流体采用扫掠法。此外,对于流道内的流体,需要考虑边界层的影响,所以对靠近叶片、轮盘和轮盖的流膨胀轮和增压轮内的流场计算使用CFX软件,两个叶轮的流场模拟类型均为稳态分析,以透平膨胀机的稳态工况作为输入条件。两个叶轮的工作转速均为22700r/min,采用经典的湍流模型和全热(Total Energy)热量传输模型,工作介质为空气(理想气体),边界条件都采用入口质量流量、出口静压和壁面无滑移条件。



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