壓縮機多級葉輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的靜動強度及氣動載荷研究.pdf

1、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是離心壓縮機的核心部件，其性能的好壞對整個壓縮機安全可靠運行至關(guān)重要。離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的強度校核和可靠性計算越來越受到重視，已經(jīng)成為壓縮機設(shè)計中的重要一環(huán)。但傳統(tǒng)上，研究人員只注重轉(zhuǎn)子系統(tǒng)離心載荷的計算，對氣動載荷的重視程度明顯不足。隨著化工行業(yè)的快速發(fā)展，離心壓縮機進口流量不斷增大，氣動激振力對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響也越來越大，其對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)強度的削弱作用日趨明顯。因此，在對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析的過程中，單純的由離心力導(dǎo)致的靜應(yīng)力分析

2、已不能滿足可靠性要求。
　　本文依托973課題的研究背景，以制氧系統(tǒng)中的離心壓縮機為研究對象，借助有限元方法和CFD數(shù)值模擬技術(shù)研究離心壓縮機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)性能，分析了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵零件的靜強度和動強度，計算出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)葉輪內(nèi)部氣體的流動規(guī)律，近而分析出壓縮機工作過程中的氣動載荷對系統(tǒng)的影響。主要完成如下幾個研究內(nèi)容。
　　(1)利用大型有限元分析軟件ANSYS分別對半開式和閉式離心壓縮機計算，得出了葉片的前六階固有頻率。分別對葉輪

3、和葉片的靜強度和動強度特性進行了分析。通過分析發(fā)現(xiàn):在給定模型中，無論是半開式離心壓縮機葉輪，還是閉式離心壓縮機葉輪，其葉片的動強度設(shè)計比較合理，可靠性很高。而葉輪由于自振頻率比較低，容易與高頻激振力發(fā)生倍頻共振，因此，建議修改導(dǎo)葉個數(shù)改變激振力頻率或者通過其他措施改變?nèi)~輪的固有頻率，使高頻激振力頻率與葉輪固有頻率的倍頻滿足15％的避開率，以免葉輪出現(xiàn)倍頻共振，發(fā)生屈服性破壞。
　　(2)通過CFD軟件分別對半開式、閉式葉輪流場進

4、行模擬計算與性能預(yù)測，分別計算出半開式、閉式葉輪和葉片不同工作情況下的受力、變形及流場分布情況，為后續(xù)計算和分析整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)氣動載荷做必要準(zhǔn)備。分別討論了葉片只受氣動載荷、只受離心力載荷、同時受氣動載荷和離心力載荷三種載荷情況。計算結(jié)果表明:葉片的應(yīng)力分布和總體變形趨勢在三種情況下是相似的;半開式葉輪流場的最大氣流速度出現(xiàn)在流場入口處和出口處，而非中間部位，整體上呈現(xiàn)從入口到出口逐漸增大趨勢，并且流場平均速度隨著氣體質(zhì)量流速率的增大而增

5、大。對于閉式葉輪，在葉輪轉(zhuǎn)速不變的情況下，增加氣體質(zhì)量流率，葉輪內(nèi)部流場邊界壓力隨之增加;葉輪氣體質(zhì)量流率不變，增大葉輪轉(zhuǎn)速，葉輪內(nèi)部流場邊界壓力基本不變;另外，流場邊界壓力呈現(xiàn)由入口向出口逐漸增大的規(guī)律。
　　(3)對離心壓縮機的低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)主軸進行了模態(tài)分析，計算了前六階固有頻率;對整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不同工作情況下的氣動載荷進行仿真分析，計算出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同氣動載荷作用下受力和變形情況，分析了氣動載荷對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響。通過分析發(fā)現(xiàn):