压缩机多级叶轮转子系统的静动强度及气动载荷研究

摘要

转子系统是离心压缩机的核心部件，其性能的好坏对整个压缩机安全可靠运行至关重要。离心压缩机转子系统的强度校核和可靠性计算越来越受到重视，已经成为压缩机设计中的重要一环。但传统上，研究人员只注重转子系统离心载荷的计算，对气动载荷的重视程度明显不足。随着化工行业的快速发展，离心压缩机进口流量不断增大，气动激振力对转子系统的影响也越来越大，其对转子系统强度的削弱作用日趋明显。因此，在对转子系统进行结构分析的过程中，单纯的由离心力导致的静应力分析已不能满足可靠性要求。
　　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，借助有限元方法和CFD数值模拟技术研究离心压缩机转子系统性能，分析了转子系统的关键零件的静强度和动强度，计算出转子系统叶轮内部气体的流动规律，近而分析出压缩机工作过程中的气动载荷对系统的影响。主要完成如下几个研究内容。
　　(1)利用大型有限元分析软件ANSYS分别对半开式和闭式离心压缩机计算，得出了叶片的前六阶固有频率。分别对叶轮和叶片的静强度和动强度特性进行了分析。通过分析发现:在给定模型中，无论是半开式离心压缩机叶轮，还是闭式离心压缩机叶轮，其叶片的动强度设计比较合理，可靠性很高。而叶轮由于自振频率比较低，容易与高频激振力发生倍频共振，因此，建议修改导叶个数改变激振力频率或者通过其他措施改变叶轮的固有频率，使高频激振力频率与叶轮固有频率的倍频满足15％的避开率，以免叶轮出现倍频共振，发生屈服性破坏。
　　(2)通过CFD软件分别对半开式、闭式叶轮流场进行模拟计算与性能预测，分别计算出半开式、闭式叶轮和叶片不同工作情况下的受力、变形及流场分布情况，为后续计算和分析整个转子系统气动载荷做必要准备。分别讨论了叶片只受气动载荷、只受离心力载荷、同时受气动载荷和离心力载荷三种载荷情况。计算结果表明:叶片的应力分布和总体变形趋势在三种情况下是相似的;半开式叶轮流场的最大气流速度出现在流场入口处和出口处，而非中间部位，整体上呈现从入口到出口逐渐增大趋势，并且流场平均速度随着气体质量流速率的增大而增大。对于闭式叶轮，在叶轮转速不变的情况下，增加气体质量流率，叶轮内部流场边界压力随之增加;叶轮气体质量流率不变，增大叶轮转速，叶轮内部流场边界压力基本不变;另外，流场边界压力呈现由入口向出口逐渐增大的规律。
　　(3)对离心压缩机的低压转子系统主轴进行了模态分析，计算了前六阶固有频率;对整个转子系统不同工作情况下的气动载荷进行仿真分析，计算出转子系统在不同气动载荷作用下受力和变形情况，分析了气动载荷对转子系统的影响。通过分析发现:气动载荷下转子系统主轴的应力和变形都比较小，表明气动载荷对主轴或轴承造成伤害不是气动载荷产生的绝对应力和变形值引起的，而是气动载荷的交变作用造成主轴或轴承的疲劳破坏。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题来源

1．2 国内外研究概况

1．3 Ansys和CFD软件介绍

1．3．1 Ansys软件简介

1．3．2 CFD软件介绍

1．3．3 CFX-BladeGen

1．3．4 CFX-TurboGrid

1．4 本文主要工作

第2章 屈服准则和GFD理论

2．1 有限元方法及屈服准则

2．1．1 有限元方法概述

2．1．2 力学基本方程和能量原理

2．1．3 屈服准则

2．2 CFD理论基础知识

2．2．1 基本控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 初始条件和边界条件

2．2．4 CFD模型的数值求解方法概述

第3章 离心压缩机叶轮强度分析

3．1 半开式叶轮的强度分析

3．1．1 半开式叶轮模的建立

3．1．2 半开式叶轮网格划分

3．1．3 半开式叶轮加载约束

3．1．4 半开式叶轮静强度计算结果分析

3．2 半开式叶轮和叶片模态分析

3．2．1 半开式压缩机叶片模态分析

3．2．2 半开式压缩机叶轮模态分析

3．3 闭式叶轮的强度分析

3．3．1 闭式叶轮模型建立

3．3．2 闭式叶轮网格划分

3．3．3 闭式叶轮加载约束

3．3．4 闭式叶轮静强度计算结果分析

3．4 闭式叶轮和叶片模态分析

3．4．1 闭式压缩机叶片模态分析

3．4．2 闭式压缩机叶轮模态分析

3．5 半开式和闭式叶轮强度对比

3．6 本章小结

第4章 叶轮流场仿真和单向气动强度耦合分析

4．1 半开式叶轮流场仿真和单向气动强度耦合分析

4．1．1 半开式叶轮流场计算网格生成

4．1．2 半开式叶轮流场计算的数学模型

4．1．3 半开式叶轮流场仿真和叶片单向气动强度耦合

4．1．4 半开式叶轮三维流场模拟结果分析

4．1．5 半开式叶片单向气动和强度耦合结果分析

4．2 闭式叶轮流场仿真和单向气动强度耦合分析

4．2．1 闭式压缩机叶轮几何建模

4．2．2 闭式叶轮流场计算网格生成

4．2．3 闭式叶轮流场计算的数学模型

4．2．4 闭式叶轮流场仿真和叶片单向气动强度耦合

4．2．5 闭式叶轮三维流场模拟结果分析

4．3 半开式叶轮和闭式叶轮气动强度对比

4．4 本章小结

第5章 低压转子系统的模态和气动力学分析

5．1 闭式离心压缩机低压转子系统模型

5．2 闭式离心压缩机低压级主轴模态计算

5．3 离心压缩机低压级转子系统气动载荷计算

5．3．1 闭式离心压缩机叶轮气动载荷计算

5．3．2 闭式离心压缩机转子整体载荷计算

5．4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 课题展望

参考文献

致谢