微型燃气轮机向心透平的设计与仿真

微型燃气轮机向心透平的设计与仿真

小型鉴于分散的燃料小气汽的电机转速为25.30kg。其基本技术特点是积极平衡、离心式压力和回热循环，具有效率高、低nox和uh排放、体积小、重量轻、适用燃料范围广等特点。满足当前能源、环保的要求，以及现代工业和家庭对能源系统的需求。虚拟现实（虚拟现实现实，虚拟现实，三维）技术集成了数字图像处理、计算机图像工具化、信息技术和传感器技术的信息技术。利用计算机网络技术的设计计算了应用于心脏透平的热参数和结构参数。利用虚拟现实技术建立了向心透平的数字采样模型。该算法结合了金元分析技术，并将重要部件的动态和静态叶片连接起来，可以缩短产品的开发周期，提高产品的质量。解决小气汽事业的技术支持。1透平膨胀机的组成结构向心式燃气透平利用较大的焓降产生较高的圆周速度,一般可达400～500m/s;其显著缺点是制造加工复杂.气体流经透平机时的膨胀过程是一个等熵膨胀过程.膨胀气体流经的元件是蜗壳、导流器、叶轮及扩压器,它们组成了透平膨胀机的通流部分,通流部分是制冷及输出功的部件.图1是向心透平的组成结构图.由图可见,具有一定压力的膨胀空气进入蜗壳后,再流入喷嘴、叶轮及扩压器,然后离开透平.蜗壳将气体均匀的分配到喷嘴中,喷嘴可将气体的压力能转变为气体的动能;叶轮将气体的能量转变为轴上的机械功,而气体本身的压力及温度降低;扩压器将低温的气体排出.气体经过上述4个元件后,降低了压力及温度,并输出功.2向心透明的设计和结构2.1参数化技术的三维建模虚拟设计是指设计者在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改.向心透平的设计是微型燃气轮机虚拟设计研究中的主要模块之一,其主要任务是:研究确定向心透平设计模块的体系结构;建立数学计算模型,利用计算机辅助设计技术设计计算向心透平的参数,建立基于参数化技术的的三维实体模型;研究向心透平设计系统的数据结构和虚拟环境,实现向心透平在虚拟环境中的装配.图2为向心透平设计模块的体系结构.该体系结构的主要特点是:(1)采用模块化设计方法,有利于系统的修改、扩展和维护.向心透平的蜗壳、喷嘴、叶轮和扩压器等关键部件的设计计算,实体建模,虚拟样机的建立,静态动态分析等功能模块可按实际要求进行扩充和修改,亦可单独使用,具有较好的开放性.(2)通过友好方便的可视化界面,以面向对象的编程方式,将向心透平的分析、设计、计算、虚拟演示等过程集于一体,为用户提供了一种设计计算向心透平以及了解其工作过程的集成平台.(3)采用统一的工程数据库管理.工程数据库中包括设计时的原始数据,关键部件的几何参数、结构参数和性能参数,实体建模、虚拟环境建构、虚拟装配等过程中的所有数据.各模块的数据采用统一数据库管理,便于数据的共享和维护.2.2计算模型2.2.1结构参数的确定向心透平的热力计算是确定透平机设计方案的依据,在热力计算中通过给定的初始参数确定透平机的性能参数和主要结构参数.经热力计算后,透平机通流部分的几何形状就确定下来了,之后根据通流部分形状进行向心透平导向装置和叶轮的造型设计.因此,向心透平的主要计算内容为:给定向心透平的初始设计数据,根据实验数据和生产经验预选各通流部分的各参数,计算出向心透平通流部分各零部件,如叶轮、喷嘴和蜗壳的性能参数和结构参数.2.2.2喷嘴、叶轮的结构向心透平采用单蜗室圆截面蜗壳,蜗壳是截面沿流动方向均匀变小的螺旋管,具有轴对称气流结构.蜗壳结构较为复杂,常采用耐低温的钢合金或铝合金铸造而成.蜗壳的设计主要是蜗壳截面形状的选择和蜗壳型线的设计.圆截面蜗壳任意截面处的型线半径r=θ/C+√2R′θ/C(1)式中,截面位置角θ=2πVΚ∫R″R′B⋅dR/R,V为蜗壳进口处气体的容积流量;K是常数;B是截面位置角θ处的宽度;R′和R″分别为蜗壳出口处和外壳处的半径,C=4π2K/V.喷嘴是向心透平的导向装置,其主要作用是把气流的压力能转变为速度能.喷嘴由一定数量形状相同的叶片以等间隔分布在圆环上,与上、下盖板形成径向流动的通道.喷嘴常用材料为不锈钢或表面镀铬的黄铜.喷嘴的设计原则是:保证气流以较小的流动损失流过喷嘴,并在喷嘴出口处获得指定的流速和流动方向.喷嘴设计的主要工作是确定喷嘴各结构尺寸和叶片形状.喷嘴中的损失qn=(i0-i1S)(1-ϕ2)(2)式中,速度系数ϕ与叶片形状、尾缘厚度、叶片高度及表面粗糙度有关,中压小型低温透平机ϕ=0.90～0.92;i0为喷嘴进口处焓值;i1S为出口处理想焓值.叶轮的主要作用是将气体的能量转变为轴上的机械功,它由一定数量的叶片均匀地分布在一个轮盘上而形成的,叶片间为气体的流动通道.叶轮的结构较复杂,工作转速较高,常采用低温下强度较好又较轻的材料,如铝合金精密铸造而成.为了防止高速气流对工作轮的冲蚀,通常采用表面阳极氧化处理以提高表面的硬度.叶轮的主要结构尺寸有:叶轮进/出口直径、叶轮出口截面叶片外径和根径、流道的曲率半径、叶轮宽度、导流段宽度和叶片出口安装角等.叶轮设计的任务是确定上述各尺寸,并使叶片流道具有良好的流动性和叶轮有足够的强度.叶轮中的损失qr=W22(1/ψ2-1)/2(3)式中,W2为叶轮出口相对速度;ψ为速度系数,一般径轴流式叶轮取ψ=0.75～0.92.2.2.3转动叶轮有限元模型有限元分析是虚拟设计必不可少的过程和设计手段,它通过对零部件的动态或静态性能的计算、分析和评估,验证虚拟产品结构的合理性,优化结构方案.利用转动叶轮单元的运动微分方程:Μe¨δe+ΜeG˙δe-Κecδe+∂VΝL/∂δe=Fe+Qec+QeΡ(4)建立向心透平叶轮的有限元模型,通过求解得到位移向量δe,求解应力、位移和约束反力.式中,Me为单元质量矩阵;MeG为单元科里奥利矩阵;Kec、Ke0分别为单元离心力和小位移刚度矩阵;VNL为非线性应变能;Qec、QeΡ分别为单元离心力和气动力向量;Fe为相邻单元和叶片边界给出的单元节点力大小.2.3建模技术2.3.1向心透平模型建模向心透平热力计算和结构设计时,其各参数需要进行反复迭代.因此,设计时运用C++Builder可视化集成开发环境,开发了基于Windows的用户界面.利用C++Builder的OLE功能调用SolidworksAPI及其参数化设计机制,集成参数化设计和三维实体建模技术,实现向心透平的参数化实体建模.具体实现方法为:首先由Solidworks建立三维实体模型,建模过程中用到的尺寸参数必须采用完全定义方式;由计算模型的程序化实现实体建模所需驱动尺寸的转化;定义驱动尺寸名称,用solidworks参数化技术将信息存储到指定的Excel表格中;利用C++Builder的数据库操作形成驱动尺寸数据库,用OLE功能修改实体结构尺寸,完成新结构参数的实体建模.参数化建模充分利用对象拓朴结构的共同特性,通过对对象实体尺寸的局部驱动来实现相似对象的柔性设计,既保持了产品的拓朴结构关系不变,又保证了用户可以随时改变控制参数来满足自己的设计建模要求.2.3.2基于向心透平的视景建模技术在虚拟产品的开发过程中,为了给用户创建一个身临其境和沉浸其中的环境,必须根据需要建立逼真的视景环境.向心透平在虚拟环境中的视景建模技术,包括将参数化建模中的实体转化为虚拟环境中的视景模型,向心透平视景模型在三维场景中的引入,定义观察视点、操纵方式、光照环境、运动对象以及对象之间的交互关系等.3空气压缩性系数向心透平设计的已知参数为:空气流量1.501kg/s,透平初压0.9415MPa,初温174.2K,出口背压0.145MPa,空气压缩性系数0.964,进口气流密度19.515kg/m3.3.1影响向心透平性能的参数设计表1为向心透平主要结构尺寸的计算结果.辅助计算部分得到的结构参数通过数据的特征提取和转化将成为参数化建模阶段的数据源,用来驱动不同结构参数的实体建模.经向心透平热力计算,确定主要结构尺寸后还要对影响向心透平性能的参数进行研究.图3为设计时选用不同进口角α1、静叶速度系数ϕ和动叶速度系数ψ时对向心透平功率、流量和效率产生的影响.由图中可知,若设计时ϕ和ψ取得过小,实际不能达到时,则功率减小,流量、效率下降;若ϕ和ψ取得过大,虽向心透平流量增加,但此时压气机排气无法达到设计压力,因此透平进口总压下降、做功减少,燃气轮机总效率不会提高,甚至可能因压气机耗功增加而下降.流量偏小还可能使压气机进入喘振.因此,设计后应正确估价可能产生的偏差及由此带来的影响.3.2叶轮有限元模型利用上述有限元计算模型采用有限元分析软件NASTRAN分析,得到图4的叶轮有限元网格划分模型和位移云图.算例中的叶轮直径120mm,叶片总数14,工作转速为65000r/min.采用NASTRAN软件中的TET4(四面体4节点)单元进行网格划分,产生节点32182,单元113305.叶轮材料采用钛铝合金,杨氏模量为9.6×104MPa,泊松比为0.36,材料密度为4620kg/m3.边界条件设定为约束叶轮摩擦环面沿轴心位移和叶轮螺孔内径向位移.载荷设定为叶轮摩擦环面的压力和螺纹侧面的载荷.由位移云图可得,叶轮的位移分布呈近似同心圆状,由内向外逐渐变大.3.3求逆市方法,求逆市装配序列,求逆市方法,进行可装配性检查图5为向心透平的三维实体模型和虚拟装配过程.基于向心透平零部件的几何配合约束和工程语义信息,在通过干涉检查的前提下,自动推理与人机交互相结合,求解可行拆卸方向和路径,获得合理可行的拆卸顺序和初始路径,通过求逆得到可行装配序列,即装配顺序和路径.然后,在计算机上模拟产品的实际装配过程,直观展示产品的可装配性,这种可视化方式确保了装配序列的可实现性,为向心透平装配工艺、装配设备和装配工步的规划提供了准确可靠的信息.4向心