离心压缩机叶轮内湍流及冲蚀磨损特性研究

发布时间：2017-04-05 11:01

  本文关键词：离心压缩机叶轮内湍流及冲蚀磨损特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：离心式压缩机是石油化工产业中的核心设备,常使用在重工业地区,环境污染严重,空气质量差。旋转叶轮工作在高速高温高压环境下,并且压缩介质中含有微小固体颗粒及腐蚀物质,故叶轮失效的频率较高,其中叶片是最容易失效的零件。固体颗粒对叶片的冲蚀磨损是叶轮失效的重要原因之一。因此,研究离心式压缩机叶轮内湍流流场及气固两相流对叶轮表面的冲击磨损规律,对研究材料的磨损机理及指导零部件的再制造有重要意义。本文在总结前人研究成果的基础上,采用数值模拟技术与实验研究方法,结合对叶轮失效的调研,对离心式压缩机叶轮内湍流流场及冲蚀磨损特性进行研究。 应用粘性标准两方程湍流模型、三维雷诺时均N-S方程,采用非定常数值模拟方法,研究了离心式压缩机叶轮内部的流场,对比分析了叶片压力面和吸力面特性参数。研究结果表明,压力面的绝对压强大于相应位置吸力面的压强,最大绝对压强位于压力面后缘；最大相对速度位于叶片入口,长叶片吸力面有回流现象,短叶片对遏止回流有明显作用；吸力面的湍流强度大于相同位置压力面的湍流强度,最大湍流强度位于吸力面前缘。 在叶轮内部流场物理量已明确的基础上,在叶轮入口放置固体颗粒,通过对气固两相流场中固相颗粒运动轨迹的拉格朗日追踪,应用离散相流动模型(固相)和塑性材料冲蚀磨损模型,利用正交模拟试验手段,采用数值模拟方法,研究了离心式压缩机全流道内气固两相流中固相颗粒对叶轮叶片的冲蚀磨损分布情况及磨损规律。研究结果表明,在离散相颗粒的三个几何参数中,固体颗粒直径的改变对叶片磨损的影响最大,质量流量其次,固体颗粒初速度的影响最小；叶轮中冲蚀磨损最严重的部位是叶片压力面；固体颗粒对叶片压力面的冲蚀磨损部位主要集中在叶片后缘根部,叶片中部也有一定程度的磨损。数值模拟的结果解释了相关的实际失效情况,研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计与修复。 采用冲蚀磨损试验装置,研究固体颗粒冲蚀角度的变化对叶轮材料FV520B冲蚀磨损的影响,试验中保持粒径(7μm)、冲蚀速度(180m/s)及冲蚀固体颗粒总质量(100g)固定,冲蚀角度分别为12。、18。、24。、30。、45。、60。、90。。冲蚀试验完成后,利用电子精密天平、手持式数字显微镜、白光干涉仪分别测出冲蚀磨损率、靶材表面微观形貌及粗糙度。试验得出,小角度冲蚀易出现较大磨损率,磨损机理以微切削为主；大角度冲蚀对应的磨损率不大,但表面凹坑和沟痕较深,磨损机理以变形和锻造挤压为主。经过误差分析,本实验误差小于10%。
【关键词】：离心式压缩机 叶轮叶片 湍流流场 冲蚀磨损 气固两相流
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH452
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 与磨损相关的叶轮内部流场的研究现状14-15
• 1.2.1 研究叶轮内部流场的方法14
• 1.2.2 叶轮内流场研究的发展趋势14-15
• 1.3 叶轮磨损研究的现状与进展15-19
• 1.3.1 磨损机理的研究15-17
• 1.3.2 叶轮磨损的研究方法17-18
• 1.3.3 冲蚀磨损理论研究18-19
• 1.4 课题的提出及研究意义19-20
• 1.5 论文的研究内容及组织结构20-23
• 第2章 叶轮内部湍流流场的数值模拟分析23-37
• 2.1 理论基础23-27
• 2.1.1 控制方程23-24
• 2.1.2 湍流模型24-26
• 2.1.3 求解器的选取26
• 2.1.4 压力与速度的耦合算法26-27
• 2.2 分析模型的建立27-30
• 2.2.1 三维模型27-28
• 2.2.2 网格划分28-29
• 2.2.3 边界条件29-30
• 2.3 结果与分析30-35
• 2.3.1 叶轮全流场分布30-31
• 2.3.2 叶片表面压强分布31
• 2.3.3 叶片表面气流相对速度矢量分布31-32
• 2.3.4 叶片表面气流湍流强度分布32-33
• 2.3.5 监控点压强波动及出口流量33-35
• 2.4 本章小结35-37
• 第3章 固体颗粒对叶轮磨损的数值模拟分析37-51
• 3.1 叶轮冲蚀磨损概述37-38
• 3.1.1 叶轮磨损案例37
• 3.1.2 固体颗粒来源分析37-38
• 3.2 磨损模型的建立38-39
• 3.2.1 离散相的控制方程38-39
• 3.2.2 塑性材料冲蚀磨损模型39
• 3.2.3 边界条件39
• 3.3 正交模拟试验及结果分析39-43
• 3.3.1 试验目的39-40
• 3.3.2 试验因素40
• 3.3.3 模拟实验结果分析40-43
• 3.4 单因素分析43-48
• 3.4.1 固体颗粒直径对叶片磨损的影响43-46
• 3.4.2 固体颗粒初速度对叶片磨损的影响46-47
• 3.4.3 固体颗粒质量流量对叶片磨损的影响47-48
• 3.5 本章小结48-51
• 第4章 叶轮材料的冲蚀磨损试验51-61
• 4.1 试验内容及方法51-54
• 4.1.1 试验设备51-52
• 4.1.2 试验材料52-53
• 4.1.3 测试仪器53-54
• 4.2 结果与分析54-59
• 4.2.1 冲蚀磨损率54-55
• 4.2.2 冲蚀磨损后靶材表面形貌55-58
• 4.2.3 冲蚀磨损后靶材表面粗糙度58
• 4.2.4 误差分析58-59
• 4.3 本章小结59-61
• 第5章 结论与展望61-63
• 5.1 结论61-62
• 5.2 展望62-63
• 参考文献63-67
• 攻读学位期间发表学术论文、参与科研项目情况67-69
• 致谢69-70
• 学位论文评阅及答辩情况表70

【参考文献】

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本文编号：286961