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透平膨脹機轉子係統的有限元分析

發布於:2019-02-19 21:51
有限元分析

      透平膨脹機是利用氣體膨脹對外做功而得到能量的裝備,也是低溫空分設備及氣體分離和液化裝置的重要組成部分。增壓透平膨脹機是工業領域較為常見且應用較廣的一種膨脹機,其轉子係統由膨脹輪、增壓輪和主軸等旋轉零件組成,其中膨脹輪和增壓輪懸掛在主軸的兩端形成雙懸臂式轉子。近年來,冶煉、石化和火電行業的集約化發展對透平膨脹機提出了大型化、高速化和高可靠性的要求。轉子係統是透平膨脹機中連接氣體膨脹做功和對外輸出能量的執行機構,是整個透平膨脹機的“心髒”,其性能的可靠性和穩定性對透平膨脹機的安全運行起著決定性的作用。因此,通過對轉子係統的有限元分析,可以了解應力的分布狀態,對透平膨脹機的設計和生產具有重要的應用價值和參考意義。
      透平膨脹機轉子係統的工作環境錯綜複雜,受到流場和溫度場的耦合作用,另外還受到轉子高速旋轉引起的離心力及其它作用力。由於流熱固三場耦合作用分析難度較大,目前有關透平膨脹機零部件在耦合應力下的強度分析多采用結點集中力等效流場氣動力,葉輪的進出口溫度等效葉輪表麵溫度分布,沒有對流場和溫度場進行詳細的分析且忽略了各個物理場之間的相互作用關係,導致關鍵零部件的強度分析不夠精確,給轉子係統的結構設計造成了一定的誤差和隱患。為了真實地反映流場和溫度場在轉子係統上的載荷分布,進行流熱固三場耦合計算,本文使用CFX進行葉輪內部流場分析,ANSYS進行轉子係統熱分析和結構分析,應用ANSYS Workbench來實現流場、溫度場和結構場之間的耦合作用,完成透平膨脹機轉子係統在耦合應力下的強度分析
      耦合分析是指考慮兩個或兩個以上物理場之間的交叉作用和相互作用的分析類型。目前用於求解耦合分析問題的方法主要有直接耦合法(強耦合法)和順序耦合法(弱耦合法)。直接耦合法通過改寫各物理場的控製方程,構造出統一的求解方程並直接求解。該方法不存在時間滯後問題,但是求解時要求各場網格一致,實際應用價值不高。相反,順序耦合法按照一定的順序依次求解各個物理場的控製方程,並在各場交界麵通過插值運算交換信息從而實現耦合求解。該方法的優點在於各物理場求解過程相互獨立,可以最大化地利用己有數值分析的方法和程序,縮短計算時間。因此,本文采用順序耦合法進行透平膨脹機轉子係統流熱固三場耦合分析計算,由於隻考慮轉子結構的靜力學性能,各物理場交界麵處采用單向數據傳遞模式,其計算流程如圖所示,包含流場分析,熱分析和結構分析。在三場耦合分析的計算過程中,葉輪表麵氣體壓強在流固交界麵處從流場單向傳遞到結構場,葉輪表麵溫度在流熱交界麵處從流場單向傳遞到溫度場。熱分析導熱微分方程是求解轉子係統傳熱問題的控製方程,對於各向同性材料,導熱微分方程在笛卡爾坐標係下可以表達為如下形式:根據位移列陣可以計算出應力和應變等參數,應用第四強度理論完成結構的強度分析。
      根據轉子係統的實際模型,建立流熱固三場耦合分析所需要的計算模型,整個過程包括三維建模,網格劃分,載荷和邊界條件及其它相關參數的設置。首先采用葉片設計專用軟件B1adeGen完成膨脹輪和增壓輪葉片的幾何造型,然後在Design Modeler中完成全流道流場的三維建模。出於CFD計算收斂性和穩定性方麵的考慮,適當地延長了葉輪的入口段和出口段,采用四麵體劃分法和掃掠法相結合的方式對流場模型進行網格劃分,即對入口段和出口段采用四麵體劃分法而對葉輪流道內的流體采用掃掠法。此外,對於流道內的流體,需要考慮邊界層的影響,所以對靠近葉片、輪盤和輪蓋的流膨脹輪和增壓輪內的流場計算使用CFX軟件,兩個葉輪的流場模擬類型均為穩態分析,以透平膨脹機的穩態工況作為輸入條件。兩個葉輪的工作轉速均為22700r/min,采用經典的湍流模型和全熱(Total Energy)熱量傳輸模型,工作介質為空氣(理想氣體),邊界條件都采用入口質量流量、出口靜壓和壁麵無滑移條件。



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