ORC余热发电装置向心透平转子系统动力学及强度分析

摘要

应用有机朗肯循环（ORC）将低品位热能转换为高品位电能，适用于工业废热、地热能、生物质能等领域。本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上，对自主设计的向心透平转系进行强度分析以及动力学特性研究，为优化透平结构提供参考依据。 以R123为工质，实验研究了向心透平转系转速与转轴振动的关系。结果表明：随着透平转速的增加，转轴径向振动幅值增加，振动峰值的特征频率增大。当转速为32520r/min时，最大振动位移值为600μm。在转速为17760r/min时，基频处存在最大峰值，在 2 倍频率处也出现了明显峰值。转轴轴尾的径向振动主要集中在基频以及基频以上，基频最大峰值为116.2μm。 通过ANSYS Mechanical模块对整个转子系统进行建模，分析了转子系统的各部件对转子系统性能的影响，尤其是临界转速的影响。结果表明：转子的临界转速随着轴承刚度的增大而逐渐增大，最终趋于平稳；随着转轴长度的增大而显著减小；随着叶片数目的增加而减小；相比于轴承刚度及叶片数目来说，轴长对临界转速的影响优先级较高。之后借助ANSYS软件，基于有限元法对转子系统进行了动强度分析，证明所涉及的转子满足强度要求，为透平结构的优化提供了依据。 利用有限元分析软件ANSYS，对转子系统的不平衡响应进行了分析，分别求解了其稳态响应和瞬态响应。结果表明：转子不单在临界转速处会出现较大振动，在其1/2临界转速处同样会出现较大的振动及应力变化。转子在启动时的加速度越大，跨过振动较大的转速裕度所用时间就越短，振动叠加量越少，振动幅值及应力幅值反而更小。

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