大型离心压缩机半开式叶轮级内瞬态气动特性研究

摘要

随着我国工业化的快速发展，离心压缩机作为石化、冶金、空分、电力、煤化工等生产线的核心设备，向大容量，高效率，高参数，高可靠性的方向发展，同时在离心压缩机的生产和科研等各个方面也取得了长足进步。因此对于大型离心压缩机级内气动特性研究有重要的现实意义。
　　在满足离心压缩机设计要求的气动性能基础上，良好的结构特性也是需要设计者考虑的重要因素。对于结构强度的计算仅从结构特性角度分析是不全面的，需要考虑气动载荷对整体结构强度的影响。本文重点研究大型离心压缩机半开式叶轮级级内气动特性，分析不同设计形式及不同工况下叶轮叶片气动载荷变化规律。从气动角度分析造成强度问题的诱因，并提供叶片表面静压脉动，为强度计算提供数值依据。
　　本文的主要研究对象为:H1型和H2型两台离心压缩机首级半开式叶轮级，采用数值模拟方法对级内气动特性进行计算分析。针对相同机组的不同改型方案进行对比，得到其内部流动规律，及叶片气动负荷的变化;对比分析冬季工况点及设计工况点压缩机级内流场变化，得到半开式叶轮叶片前缘气动变化规律，冬季工况点下叶片前缘处气动负荷增大。通过对两种不同非定常交接面处理方法（DSM方法和PLM方法）的计算研究表明，在排除时间项干扰的前提下，对于一级叶片排的模拟计算PLM方法更具优势。利用瞬态计算方法对H2型离心压缩机半开式叶轮级进行数值仿真，研究了不同扩压器叶片安装位置对级内气动特性的影响。对离心压缩机时序效应的存在及改进潜能进行研究，计算结果表明离心压缩机时序效应对叶轮叶片气动负荷影响不能忽略，当时序位置在一定范围内变化时，叶轮叶片的气动负荷变化不明显，应该在设计过程中考虑时序位置确定其静叶片的安装。
　　利用单向流固耦合方法计算分析了H1型离心压缩机机组半开式叶轮级叶轮叶片的应力分布。计算结果表明，尽管气动载荷相比于离心力载荷引起的应力偏小，但是不能忽略。附加气动载荷后，叶片应力最大值区域与叶片实际发生断裂位置相一致，从而为事故分析提供一定的数值依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状与分析

1．3 本文主要工作

2 数值模拟基本理论及离心压缩机计算模型建立

2．1 数值模拟基本理论

2．1．1 流动控制方程

2．1．2 湍流模型及其应用

2．1．3 基于有限体积方法的控制方程的离散

2．1．4 网格生成技术

2．2 研究对象

2．2．1 H1离心压缩机半开式叶轮级

2．2．2 H2离心压缩机半开式叶轮级

2．2．3 H2离心压缩机半开式叶轮级改型设计

2．3 本章小结

3 H1离心压缩机半开式叶轮级内部流动分析

3．1 计算模型的建立

3．1．1 几何模型及网格建立

3．1．2 计算边界条件选取与设定

3．1．3 网格无关性验证

3．2 离心压缩机特性曲线的数值模拟

3．3 H1冬季工况的数值模拟

3．3．1 冬季工况计算条件的确定

3．3．2 冬季工况非定常计算的数值方法

3．3．2 冬季工况非定常计算结果分析

3．3 本章小结

4 H1离心压缩机叶轮流固耦合分析

4．1 基于ANSYS CFX的内部流动数值分析

4．1．1 计算模型建立及边界条件定义

4．1．2 流体域计算结果及分析

4．2 H1离心压缩机叶轮静力学特性分析

4．2．1 计算模型建立及数值计算方法

4．2．2 固体域计算结果及分析

4．3 本章小结

5 H2离心压缩机半开式叶轮级内部流动分析

5．1 H2机组原始设计与改型设计内部流动分析

5．1．1 计算模型建立与网格无关性验证

5．1．2 模型准确性验证

5．1．3 原始设计与改型设计定常计算分析

5．1．4 改型设计设计工况点与冬季工况点定常计算分析

5．2 离心压缩机的时序效应

5．2．1 模型建立及监测点设定

5．2．2 压缩机时序效应分析

5．3 本章小结

结论及展望

参考文献

攻渎硕士学位期间发表学术论文情况

致谢