复杂工况下离心压缩机叶片疲劳寿命预测
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【摘要】:离心压缩机在航天、石油化工、能源、冶金等部门广泛应用。在国民经济各领域发挥着极其重要的作用。压缩机的稳定运行是整条生产线安全生产的保障,特别是近年来大型空分设备和百万吨乙烯工程都对国产大流量压缩机的设计、研发提出了挑战。离心压缩机在实际运行中叶轮叶片断裂事故时有发生,给机组稳定运行和工作人员的人身安全带来严重的危害甚至是灾难性的后果。研究表明,叶片的断裂多为疲劳破坏所致。所以,深入研究叶轮叶片发生疲劳破坏的机理,合理的预测叶轮的寿命,对于提高离心压缩机的性能和可靠性具有重要的意义。针对离心压缩机叶片的疲劳破坏问题,本文通过分析离心压缩机的工作流程以及叶片上的载荷情况,将离心压缩机的工作状态划分为启停、额定作业以及旋转失速;利用ANSYS-CFX和ANSYS-Static Structural分别对各个工作状态进行流场分析以及流固耦合分析;并结合简化叶轮焊接结构疲劳试验数据,分别计算各个工作状态下的损伤,对服役状态下叶轮叶片的剩余寿命进行了估算。根据本文的研究,额定作业状态对叶片的损伤极为有限,可以忽略。离心压缩机的启停以及旋转失速均能对叶片结构产生疲劳损伤累积。尤其是旋转失速,作为高频激振,对寿命的影响更加明显,是造成叶片疲劳断裂失效的根本原因之一。因此,本文机组叶轮叶片在做寿命预测时综合考虑了启停载荷以及旋转失速的作用。本文的研究为实际生产中解决叶片疲劳破坏问题以及合理预测叶片寿命提供了参考依据。
【关键词】:离心压缩机 叶片 复杂工况 疲劳 寿命预测
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TH452
【目录】:
- 摘要5-6
- Abstract6-10
- 第1章 绪论10-14
- 1.1 课题来源及研究意义10
- 1.2 国内外研究现状10-12
- 1.3 本文的主要工作12-14
- 第2章 离心压缩机的工作流程与载荷分析14-22
- 2.1 离心压缩机的工作剖面14-20
- 2.1.1 离心压缩机的启动14-16
- 2.1.2 压缩机作业16
- 2.1.3 离心压缩机的停机16-17
- 2.1.4 本文研究机组工作剖面的确定17-20
- 2.2 离心压缩机首级叶轮叶片的载荷分析20-21
- 2.3 本章小结21-22
- 第3章 离心压缩机额定作业状态的数值模拟22-48
- 3.1 CFD基本方程与理论22-30
- 3.1.1 计算流体力学22-23
- 3.1.2 CFD基本控制方程23-24
- 3.1.3 湍流模型24-28
- 3.1.4 壁面函数理论28-30
- 3.2 叶轮机械非定常流动的分类30-32
- 3.2.1 固有非定常问题30-31
- 3.2.2 条件非定常问题31-32
- 3.3 离心压缩机流场非定常性结构来源32-37
- 3.3.1 进气室结构32-34
- 3.3.2 进口导叶结构34-37
- 3.4 额定作业工况下的数值模拟37-42
- 3.4.1 全流道流体域模型的建立38-39
- 3.4.2 边界条件39-40
- 3.4.3 计算结果及分析40-42
- 3.5 额定作业工况下的流固耦合分析42-46
- 3.5.1 编辑叶轮材料实常数42-43
- 3.5.2 叶轮模型的建立43-44
- 3.5.3 载荷及约束条件44
- 3.5.4 计算结果及分析44-46
- 3.6 本章小结46-48
- 第4章 离心压缩机旋转失速状态的数值模拟48-59
- 4.1 旋转失速机理48-49
- 4.2 离心压缩机首级叶轮旋转失速非定常数值模拟49-52
- 4.2.1 流体域模型的建立50
- 4.2.2 边界条件50
- 4.2.3 计算结果及分析50-52
- 4.3 旋转失速下的流固耦合分析52-58
- 4.3.1 叶轮材料实常数编辑及模型的建立53
- 4.3.2 载荷及约束条件53
- 4.3.3 计算结果及分析53-58
- 4.4 本章小结58-59
- 第5章 离心压缩机叶轮叶片的寿命分析59-72
- 5.1 叶轮叶片的疲劳分析方法59-63
- 5.1.1 S-N曲线59-61
- 5.1.2 平均应力的处理61-62
- 5.1.3 Miner损伤累积理论62-63
- 5.2 叶轮材料及叶片焊接接头S-N曲线63-66
- 5.3 启停阶段叶轮叶片损伤计算66-67
- 5.4 额定作业状态下叶轮叶片损伤计算67-68
- 5.5 旋转失速工况下叶轮叶片损伤计算68-70
- 5.6 叶轮寿命预测算例70-71
- 5.7 本章小结71-72
- 第6章 结论与展望72-73
- 6.1 本文结论72
- 6.2 工作展望72-73
- 参考文献73-75
- 致谢75-76
- 攻读硕士学位期间发表论文情况76-77
- 附录A77
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本文编号:473809
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