基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析

Modeling and Stress Analysis of Main Components of Centrifugal Compressor Based on ANSYS

作者: 专业:机械工程及自动化 导师:李凌均 年度:2010 学位:硕士  院校: 郑州大学

Keywords

large chlorine centrifugal compressor, simulation, structure analysis

        在机械、生物、化工、航天等部门离心压缩机被广泛应用着,在为国家经济的发展起着着非常重要的作用。离心式压缩机作为从动机在提高流体压力的时候,多数需要耗费比较多的能源,特别是大型的工程系列,例如近年来的万吨氯气压缩化工工程,对于较多消耗的大流量压缩机的设计、研发都能明显影响到企业的效益也影响到国家倡导的绿色环保节能理念。而扩展离心机的适应性、增加离心机运行的安全性、减小离心压缩机机流动的能量损失等都需要对离心压缩机内部零部件的运行有一个深刻的研究。针对大流量离心压缩机叶轮等部件动力比较大和无法进行现场试验研究等特点,本文利用大型模拟仿真软件ANSYS对叶轮等大型零部件进行专门的数值模拟和分析,包括对于流场数值模拟的研究及各种零部件参数下的性能分析。从而得到较为合理的改造方案和事故排除办法。另外通过离心压缩机内部零部件的各项参数对离心压缩机工况影响的分析能够使了解在离心机工作环境变化后如何去改造离心机的内部参数来适应不同的工况,从而科学的对离心压缩机进行模拟和有目的性的改造。另外为了研究离心压缩机内部的状况,本文采用ANSYS软件中的固流耦合操作,进行更加精确的分析。通过不同零部件参数下大型离心机的三维建模和模态分析,来发现零部件参数对离心压缩机运行性能的影响,当机器设备因磨损等原因而发生故障时,经过对不同零部件参数模拟改造方案的比较来确定最为有效的最终现实改造方案。而对于模拟改造后和现实改造后的开车试验,也可以发现软件模拟研究的可靠程度,从而对于ANSYS的应用加深了理解和学习。
    Centrifugal compressor is widely used in mechanical, biological, chemical and aerospace department. It plays a very important role in developing national economy. As a motivation in improving fluid pressure, centrifugal compressor requires much energy. In large projects, for example, compressing ten thousand of chlorine gas project in recent years. It is important to research and develop compressor of big flow and large power consuming, which can increase the enterprise economic benefit and achieve green environmental protection and energy saving. We should study operation of the internal parts of centrifugal compressor to increase its adaptability, safety performance and energy conservation etc.Considering the impeller of centrifugal compressor is very big, and comparative flow dynamic to field tests, so we use ANSYS software to simulate impeller etc, including the flow field numerical simulation in the impeller and performance parameters analysis, from which we can discover the reconstruction scheme to eliminate accident. Furthermore, we can discover the relation between the component parameters and the working condition to repair machines purposefully. We use the solid-fluid coupling to study the internal condition of centrifugal compressor in order to simulate accurately.It is important to discover the relation between component parameters of centrifugal compressor and machine performance through the 3D modeling and modal analysis of the main component. When a fault happens, we can determine the most effective reconstruction scheme from the retrofit scheme of simulation parameters. From the drive for testing, we can find the reliability of the simulation software to deepen understanding and learning the application of ANSYS.
        

基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析

摘要4-5
Abstract5
1 课题研究的意义及来源9-15
    1.1 课题研究的意义9-12
    1.2 本课题来源12
    1.3 本文的主要工作12-13
    1.4 本论文主要章节安排13-15
2 湍流数值计算的概括15-27
    2.1 湍流数值计算分类15-16
    2.2 湍流数值计算16-27
3 有限元数值计算方法介绍27-31
    3.1 有限元法的简介27-28
    3.2 ANSYS软件的介绍28-29
    3.3 ANSYS有限元法数值计算的功能特点29-31
4 离心压缩机内部主要部件的建模31-44
    4.1 离心压缩机内部流动研究状况及方法31-33
    4.2 离心压缩机各部件的设计及调整33-44
        4.2.1 离心压缩机集风器模型的设计33-34
        4.2.2 离心压缩机回流器模型的设计34
        4.2.3 离心压缩机的蜗壳模型的设计34-35
        4.2.4 离心压缩机中扩压器模型的设计35
        4.2.5 离心压缩机中叶片模型的形成35-41
        4.2.6 离心压缩机叶轮流道模型的调整41
        4.2.7 叶轮中小尺寸间隙的调整41
        4.2.8 叶轮设计的图纸和建模要求41-44
5 叶轮在运转过程中的结构动力分析及振动特点44-48
    5.1 叶轮的动力分析概述44-45
    5.2 离心压缩机中部件的振动形式45-48
6 压缩机主要零部件受力分析48-58
    6.1 使用有限元软件ANSYS对于叶轮叶片的受力分析48-52
        6.1.1 对于ANSYS有限元的结构分析的特点48-50
        6.1.2 接触分析过程50-52
        6.1.3 对于周期对称的结构的静力的分析52
    6.2 ANSYS的网络划分方法52-54
        6.2.1 ANSYS软件中的智能自适应划分方法53-54
    6.3 叶轮叶片的几何造型的网格划分54-57
        6.3.1 叶轮进行网络的自由划分55-56
        6.3.2 在超速过载的情况下的叶轮叶片的受力情况56-57
    6.4 本章的小结57-58
7 结构参数对离心压缩机性能的影响58-64
    7.1 叶轮叶片对离心压缩机性能的影响58-62
        7.1.1 子午面型线参数对于离心压缩机的影响58-59
        7.1.2 叶片进口的倾角对于离心压缩机性能的影响59-60
        7.1.3 离心压缩机叶片的厚度对于离心压缩机性能的影响60
        7.1.4 叶片数对离心压缩机的工作影响60-61
        7.1.5 叶片尾缘吸力面切削对离心压缩机工作的影响61-62
        7.1.6 叶顶间隙对离心压缩机工作的影响62
    7.2 扩压器对对离心压缩机性能的影响62-63
    7.3 本章小结63-64
8 结论与展望64-66
参考文献66-70
个人简历 在学期间发表的学术论文及研究成果70-71
致谢71
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