大型离心式压缩机叶轮静动载荷的分析与研究

摘要

随着工业化的不断加强，人类社会对氧气、氮气和氩气等工业气体的需求迅速增加，导致了空气分离装备的不断大型化。而大型离心空气压缩机是大型空分气离装备的核心设备，其性能的好坏对整个空分装备的安全可靠运行都至关重要。叶轮是离心压缩机的关键部件，叶轮承受的载荷主要包括旋转离心力、轴系振动力和气动力。离心力会使叶片产生较大的静应力，气动力及轴系振动力将引起叶轮叶片的振动，从而使叶片产生较大的交变应力，导致叶轮叶片的疲劳破坏。因此，叶片静动态载荷的确定成为叶轮设计的关健问题之一。
　　本文依托973课题的研究背景，以制氧系统中的离心压缩机为研究对象，借助CFD数值模拟技术研究了离心压缩机叶轮的静动态载荷。基于单向流固耦合方法分析了压缩机工作过程中的气动载荷及离心载荷对叶轮模态参数的影响，以及空气入口参数对叶轮气动载荷的影响;并利用非定常流动理论，研究了叶片气动载荷的瞬态特性。具体完成如下几个内容。
　　(1)利用CFX软件对叶轮内部流场进行求解，并将计算的结果施加在叶轮表面，利用预应力模态分析法，研究了离心力和气动载荷对叶轮模态参数的影响规律。结果表明，随着阶数的升高，预应力对模态频率的影响变大，其中气动载荷的影响较小。
　　(2)通过调整理想气体与理想水蒸气的比例及改变进气温度，研究了空气相对湿度及进气温度对叶轮表面气动载荷的影响规律。分析结果表明，叶轮表面气动载荷随相对湿度的升高而增大，相对湿度每升高10％，气动载荷增大200Pa左右;叶轮表面气动载荷随温度的升高而升高，温度每升高10℃，气动载荷增大2000Pa左右。
　　(3)对叶轮内部流场进行了非定常计算，得到了在静止导叶下叶轮表面气动载荷随时间的变化规律，分析了导叶与叶轮之前的非定常干涉机理;分析了非谐设计导叶对叶轮内部非定常流动影响，揭示了非谐设计导叶对叶轮表面气动载荷的影响规律;结果表明，气体激振频率与导叶个数和叶轮转速有关而与进气温度无关;非谐设计导叶可以降低气体的激振频率，进而使频率等于导叶个数与转速乘积的激励载荷的幅值减小，但同时使气体低阶激励载荷的幅值增大。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的来源

1．2 国内外研究概况

1．2．1 旋转机械的研究概况

1．2．2 叶轮机械数值模拟的研究概况

1．3 本文主要工作

第2章 流场数值模拟理论及流固耦合

2．1 有限元方法

2．2 CFD理论基础知识

2．2．1 流体动力学的基本控制方程

2．2．2 湍流数值模拟理论

2．2．3 流固耦合概述

第3章 基于单向流固耦合的离心压缩机叶轮模态分析

3．1 预应力条件下的模态分析理论

3．2 闭式叶轮模的建立

3．3 叶轮的气动载荷计算

3．3．1 流体域的建立及网格划分

3．3．2 控制方程和湍流模型

3．3．3 边界条件的设定

3．3．4 叶轮气动载荷计算结果

3．4 加载旋转应力与气动力的叶轮模态分析

3．5 本章小结

第4章 空气相对湿度和温度对气动载荷的影响

4．1 湿空气及其性质

4．1．1 湿空气的成分及压力

4．1．2 湿空气的绝对湿度与相对湿度

4．1．3 含湿量

4．2 空气相对湿度和温度对叶轮气动载荷的影响

4．2．1 流体域的建立及网格划分

4．2．2 湍流模型与边界条件

4．2．3 空气不同相对湿度对叶轮前后缘气动载荷的影响

4．2．4 空气相对湿度对叶轮轴向气动载荷的影响

4．2．5 空气温度对叶轮气动载荷的影响

4．2．6 空气相对湿度和温度对叶轮气动载荷的影响

4．3 本章小结

第5章 离心压缩机叶轮非定常分析

5．1 叶轮表面气动非定常计算

5．1．1 模型的建立及网格划分

5．1．2 湍流模型和边界条件

5．1．3 叶轮非定常计算结果及分析

5．2 非谐导叶对气动激振力的影响

5．2．1 非谐方式和三维模型的建立

5．2．2 非定常分析结果

5．2．3 进气扰动对叶片表面激振力的影响

5．3 离心压缩机叶轮内部流场流固耦合分析

5．3．1 双向流固耦合分析过程

5．3．2 双向流固耦合计算结果

5．4 本章小节

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢