压缩机首级旋转失速的计算分析

论文摘要

离心压缩机在我国国民经济建设中数量多,应用广,在石油化工、冶金业等领域发挥着极其重要的作用。在大多数情况下,离心压缩机在整个运行系统的工作过程中扮演着核心角色,压缩机的平稳运行是整个生产线安全生产的重要保障。离心压缩机在实际运行中经常会在非设计工况下运转而伴随着旋转失速等非稳态流的发生,旋转失速等现象的存在对离心压缩机的稳定运行构成极大的威胁,很多时候它们的存在给机组的安全运行带来严重的危害甚至导致灾难性的后果。所以,对压缩机旋转失速机理的认识和研究,进而实现对其进行控制,对于提高其性能和可靠性具有重要意义。本文针对实际运行过程中某压缩机首级叶轮叶片断裂的问题,以该机组低压缸首级部分内部流场为研究对象,利用CFD软件NUMECA搭建一个基于完整真实的三维几何结构的离心压缩机内部流场数值分析平台,选用实际运行工况进行计算,使用三维造型软件Pro/E建立整个首级流场的物理模型,计算分析了包括进气室、进气导叶和首级叶轮及无叶扩压器在内的完整流场,发现由于进气室和进口导叶的设计可能存在一定的问题,叶轮进口的来流是不均匀的,导致首级叶轮前的流场畸变,从而诱发压缩机首级叶轮失速,引起叶轮内部的压力场在较大范围内变化,进一步的力学分析结果表明这种压力脉动可能是造成叶轮叶片振动、疲劳断裂的原因,通过进行非定常流动计算,动态模拟了旋转失速的发展传播过程,得到了比较真实的旋转失速的压力脉动情况,以此更加直观地证明了旋转失速是导致叶轮叶片疲劳破坏的直接原因,为工厂实际问题的解决提供了有利的科学依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 压缩系统旋转失速的特点及发展现状
• 1.2.1 旋转失速机理
• 1.2.2 旋转失速和喘振
• 1.2.3 国内外关于旋转失速的研究现状
• 1.3 计算流体动力学技术及NUMECA软件简介
• 1.4 论文的主要内容
• 2 压缩机旋转失速数值模拟的基础研究
• 2.1 计算流体力学的数值模拟
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.1.3 计算网格
• 2.1.4 数值求解方法
• 2.1.5 CFD软件后处理功能
• 2.1.6 并行技术在数值模拟上的应用
• 2.2 模型级的几何模型简介
• 2.3 模型级首级的计算网格
• 2.3.1 模型级首级各部分网格生成
• 2.4 本章小结
• 3 压缩机首级旋转失速定常数值模拟及计算结果分析
• 3.1 首级叶轮和扩压器单通道数值模拟
• 3.1.1 单通道叶轮计算网格
• 3.1.2 单通道叶轮计算设定
• 3.1.3 不同进口预旋情况下计算结果与分析
• 3.2 压力扰动下的首级叶轮和扩压器全通道计算结果及分析
• 3.2.1 叶轮全通道计算网格
• 3.2.2 计算域边界条件设定
• 3.2.3 压力扰动下的计算结果与分析
• 3.3 首级整级模型的数值模拟与结果分析
• 3.3.1 低压缸首级整级计算网格
• 3.3.2 低压缸首级整级计算条件设定
• 3.3.3 低压缸首级定常计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 压缩机首级旋转失速非定常数值模拟及计算结果分析
• 4.1 NUMECA/FINE/Turbo软件非定常（Unsteady）计算理论及应用
• 4.1.1 转静子交接面的类型及相应的计算方法
• 4.1.2 非定常的计算方法
• 4.1.3 时间迭代方法
• 4.2 叶轮全通道非定常数值模拟
• 4.2.1 计算网格
• 4.2.2 非定常计算边界条件设定
• 4.2.3 非定常数值模拟计算过程
• 4.2.4 计算结果收敛条件
• 4.3 非定常计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 全文总结及工作展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 论文工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢