透平式能量回收一体机转子动力学特性研究

作     者：潘慧山 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郎涛;蒋小平

授予年度：2020年

学科分类：080702[工学-热能工程] 07[理学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 070104[理学-应用数学] 0701[理学-数学] 

主      题：透平式能量回收一体机 数值计算 水润滑轴承 转子动力学 临界转速 瞬态响应 

摘      要：透平式能量回收一体机集余能回收与液体增压于一体,适用于大中型反渗透膜法海水淡化系统中的浓盐水余压能回收与海水增压。为了提高系统效率,一体机的转速通常高达10数量级,这对一体机的轴承—转子系统稳定性提出了很高的要求。高转速不仅会使轴承阻尼有所降低,也会使转子受到的流体激励力产生不同程度地增大现象,这些都会对一体机转子系统稳定性造成不利影响。因此,为了确保透平式能量回收一体机的安全稳定运行,非常有必要对其转子系统的动力学特性进行系统和深入的研究于。本文所做的主要工作如下:(1)在简要介绍透平式能量回收装置发展历史的基础上,对透平式能量回收一体机的研究现状进行了总结,概述了水润滑轴承和转子动力学的相关研究进展和发展趋势。(2)通过数值模拟对一体机的透平和增压泵的水力性能与内部流场进行了分析,根据功率匹配设计了三种不同的运行方案,研究了增压泵叶轮和透平叶轮径向力和轴向力的分布规律。模拟结果表明设计工况下透平和增压泵具有较好的水力性能,透平在1.4Q工况下运行,增压泵在1.0Q工况下运行时,一体机整机效率最高。增压泵在偏工况运行时,叶轮所受径向力较大,透平叶轮上的径向力则随流量的增大而增大。一体机的总轴向力指向透平出口,其大小随着流量的加大而增大。(3)基于流体动压润滑理论,梳理了利用有限差分法和扰动参数法求解轴承液膜动静特性的详细步骤,结合MATLAB软件对不同结构参数及运行工况下轴承的动静特性进行了求解分析。计算结果显示增大长径比与减小半径间隙都有利于提升轴承的承载能力,当轴承的相对间隙(c/R)与长径比(L/D)的比值在0.0065.0075范围内时轴承的最小水膜厚度可以取得最优值。高速工况下,轴承阻尼明显减小,稳定性有所减弱。(4)基于SAMCEF Rotor软件,建立了三种不同维度的一体机轴承—转子系统的有限元计算模型,并对三种计算模型进行了临界转速求解和振型分析。计算结果表明三种计算模型的计算结果吻合度较高,一体机的转子系统存在低频涡动现象,若要确保一体机转子的安全稳定运行,其实际工作转速应设置在48005000r/min范围内。研究还表明,适当减小转子材质的密度能够提高一体机转子临界转速,轴承的结构参数对转子刚体临界转速具有较大影响。(5)利用SAMCEF Rotor软件,研究了不同载荷下一体机轴承—转子系统的瞬态响应分析。结果表明:提高叶轮加工精度、错位安装叶轮、增大转子启动加速度、选用小刚度大阻尼轴承等方法可以有效降低一体机转子跨越临界转速时的共振幅值,从而提升转子系统的稳定性。考虑流体激励力作用后,与仅考虑不平衡质量相比较,转子振幅明显增大,且幅值随着转子所受径向力的增大而增大;轴心轨迹的曲线呈花瓣形,且不同位置处的轴心轨迹存在不同程度的偏心现象。