罗茨式蒸汽动力机的结构优化研究

摘要

工业生产中伴随着大量低品位蒸汽能源的浪费，低品位蒸汽压力低、温度低、气流不稳定。为了经济、有效地回收低品位蒸汽资源，课题组研发出罗茨式低品位蒸汽发电机组，专门用于回收压力小于0.8Mpa、温度低于230℃的低品位蒸汽。为了进一步探究罗茨动力机工作特性，并研究不同结构的转子对低品位蒸汽的适应性，论文对三种结构（两叶直叶、三叶直叶、三叶扭叶）的转子，从理论推导、数值模拟及试验分析方面进行研究。 1.阐述了罗茨动力机发电装置的原理与组成，建立了罗茨式蒸汽动力机数学模型。从啮合重合度方面分析三种结构转子的稳定性，以圆弧—渐开线作为三种转子的端面型线，基于平面啮合理论进行三叶转子端面型线方程推导；基于空间啮合理论进行三叶扭叶转子的螺旋面方程推导，并进行三种结构转子的理论流量、泄漏模型以及排气流量脉动推导。 2.利用SolidWorks软件建立动力机各部件三维模型，通过布尔运算抽取动力机的流场域模型，将流场域模型导入ANSYS Workbench进行网格划分。根据发电机组的运行原理，分析动力机的额定工况以及低品位蒸汽工质的物理性质，考虑工质温度以及动力机冷却系统的共同作用，为数值分析模型合理设置边界条件及初始条件。 3.使用动网格方法模拟转子转动时动力机内部流动情况。编制UDF函数控制转子转速，模拟稳定工作时的转子啮合运动，通过非定常数值计算得到转子在不同位置时动力机内的压力，速度，流线情况。比较三种转子的求解结果可知，三叶扭叶转子的运行稳定性高于三叶直叶转子，三叶直叶转子稳定性高于两叶直叶转子；并且三种转子对蒸汽气源波动的敏感度依次提高，三叶扭叶转子更能适应低品位蒸汽的波动特性。 4.建立了三叶直叶动力机发电装置试验平台，以压缩空气驱动动力机。将三叶动力机转速曲线与两叶动力机试验数据对比，结果表明三叶直叶动力机比两叶动力机更能在波动气源下稳定工作。

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