透平膨胀机轴向力数值计算方法研究

摘要

透平膨胀机是利用气体的绝热等熵膨胀流动来获得低温和进行能量回收的主要设备。是低温环境模拟、空气分离、天然气液化、氢、氦液化等装置中的关键部件，是保证装置稳定运行的心脏设备。随着工业经济的高速发展，对透平膨胀机提出了高速化、大型化的要求。导致透平膨胀机因轴向力过大出现叶轮轴向窜动等故障。因此，通过研究透平膨胀机轴向力，提高轴向力计算精度和轴系运转的稳定性以及机组可靠性，对透平膨胀机理论设计、工程应用以及延长设备使用寿命都具有重要意义。
　　本文应用计算流体动力学软件FLUNET，以某一透平膨胀机转子系统为研究对象对其轴向力进行了研究和数值模拟。
　　分析了透平膨胀机轴向推力，建立了力学分析模型和叶轮间隙及迷密封的整体三维模型。采用FLUNET软件中的低Re数k-ε模型和SIMPLEC算法，考虑泄漏、气体的可压缩性和粘性的影响，对透平膨胀机轴向推力进行了模拟计算。数值模拟了由于机械磨损导致密封间隙增大情况下轴向力和间隙泄漏量的变化趋势，数值计算结果显示随着密封齿与转子的间隙增大，叶轮间隙侧轴向力逐步减小，间隙的泄漏量随着间隙的增大而增大。验证了网格的无关性，并将数值模拟结果与理论公式计算结果进行了分析比较，找出了造成两者之间差异的原因。
　　分析了叶轮间隙侧不同密封腔时透平膨胀机轴向推力的变化，求解出叶轮侧的压力分布、速度沿轴向分布和间隙泄漏量大小，对不同密封腔时叶轮间隙侧轴向力的大小进行了比较分析。
　　研究了在直齿密封时透平膨胀机轴向力的变化，并对比分析了直齿密封和斜齿密封时叶轮间隙侧泄漏量和轴向力。分析了造成差异的原因，为透平膨胀机提高机组效率和增加机组稳定性提供了方向。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和意义

1．2 透平膨胀机概述

1．3 国内外研究现状概述

1．3．1 透平膨胀机研究现状

1．3．2 轴向力研究现状

1．4 主要研究方法与内容

1．4．1 本文主要研究方法

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 技术路线

1．5 本章小结

第2章 数值计算理论

2．1 CFD简介

2．1．1 计算流体动力学步骤

2．1．2 CFD的求解过程

2．2 流体动力学控制微分方程

2．2．1 质量守恒方程

2．2．2 动量守恒方程(N-S)

2．2．3 能量守恒定律

2．3 流体动力学控制方程的通用形式

2．4 控制方程的离散化方法

2．4．1 有限差分法

2．4．2 有限元法

2．4．3 有限体积法

2．5 湍流物理模型

2．5．1 湍流流动简介

2．5．2 湍流的雷诺方程

2．5．3 涡粘模型

2．6 壁面流动问题处理

2．6．1 近壁面区流动的特点

2．6．2 壁面函数法

2．6．3 低Re数k-ε模型

2．7 边界条件与初始条件

2．8 本章小结

第3章 透平膨胀机转子气动推力研究

3．1 透平膨胀机转子轴向推力产生的原因

3．2 透平膨胀机转子轴向推力的组成

3．3 经验公式法

3．4 解析法

3．5 数值方法

3．6 本章小结

第4章 透平膨胀机轴向推力数值计算

4．1 流体模型

4．1．1 可压缩流体与不可压缩流体

4．1．2 理想流体与粘性流体

4．2 物理模型的建立与网格划分

4．3 控制方程及边界条件设置

4．4 计算结果分析

4．4．1 压力分布

4．4．2 速度分布

4．4．3 网格无关性研究

4．4．4 密封尺寸影响

4．5 轴向推力计算与比较

4．6 本章小结

第5章 不同密封腔和密封齿形状对轴向力的影响

5．1 不同密封腔间隙下透平膨胀机的轴向推力

5．1．1 压力分布

5．1．2 速度分布

5．1．3 间隙泄漏量和叶轮侧轴向推力

5．2 直齿密封时对透平膨胀机轴向推力的影响

5．2．1 压力分布

5．2．2 速度分布、泄漏量和轴向推力

5．3 本章小结

总结与展望

1．总结

2．展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文