中压低温透平膨胀机增压端三维数值模拟.pdfVIP

北京石油化工学院学报 第 23卷 第 3期 Vol_23 NO．3 JournalofBeijingInstituteof 2015年 9月 Sep．2015 Petro—chemicalTechnology 中压低温透平膨胀机增压端三维数值模拟 张志莲，肖云峰，吕 涛，黄俊强 (北京石油化工学院，北京 102617) 摘要 ：综合运用现代计算流体力学方法对某型号中压低温透平膨胀机增压端 的三维定常黏性流场 进行 了数值模拟 ，详细研究了轮背间隙和密封腔 内的刮削回流现象、动叶通道 内的流场气动参数 以及无 叶扩压器内的流动特性对整机气动性能的影响。研究结果表明：气封齿和盖板缝隙内的局部射流是形 成气封齿 内旋涡旋向的主要因素；轴封槽 内存在较大的旋涡且挂在齿尖上，这是由于齿尖区域的节流作 用导致的；无叶扩压器和蜗壳通道 内的流动具有很强 的三维不均匀性 ，自蜗舌位置开始顺 时针方 向约 45。范围内压力和温度都明显低于其他周向位置，影响了蜗壳的气动特性。数值计算结果为膨胀端的气 动优化和改型设计提供了依据 。 关键词 ：透平膨胀机 ；气封 ；轴封 ；无叶扩压器 ；数值模拟 中图分类号 ：TB653 文献标志码 ：A 透平膨胀机是获得低温和回收能量的主要 内的二次流不但降低涡轮效率 ，还严重影响涡 设备之一，具有焓降大、结构简单、效率高、工作 轮转子的使用寿命 。针对某型号 中压低温透平 稳定等优点，被广泛应用于低温气体的分离与 膨胀机建立了包括轮背气封和轴封的整机的增 液化 以及余压和废热的综合利用。随着计算流 压端模型，详细研究了动叶通道 内的流动特性 、 体力学的发展 ，近几十年来，国内外很多学者致 间隙内的刮削回流现象以及无叶扩压器内的流 力于揭示膨胀机 内部流场 以及产生损失 的原 动特性对整机气动性能的影响。 因，如 Murugan等u]采用激光 多普勒测试仪 1 增压端结构参数与数值模拟 (LDV)测量 了某 型号向心涡轮不 同工况 下出 口流场的情况 ；Putra等[2采用实验和数值模 1．1 几何模型 拟相结合的方法 ，研究了向心涡轮导叶内二次 某型号的中压低温透平膨胀机的增压端主 流的情况 ；Dambach等口采用实验 的方法研究 要包括进 口管、叶轮、无 叶扩压器 、蜗壳 、出 口 了不 同 叶 顶 问 隙对 流 动 特 性 的影 响； 管、轮背气封和轴封等。叶轮和无 叶扩压器之 Krishnababu等 采用数值计算 的方法分析了 问的收敛段采用光滑 曲线过渡 ，保 留了突扩再 叶顶 问隙内复杂 的流动情况 ，揭示了叶顶间隙 收敛 的几何特征。无 叶扩压器采用全周模型 ， 内传热系数的分布规律。国内如刘莹等_5]对喷 与蜗壳一体。叶轮背侧的气封和轴封上的迷宫 嘴气流角的分布进行了研究 。林鹏 分析 了叶 密封为半 圆结构 ，在计算模型中，为了提高网格 轮流道内二次流动的生成和发展。孙冠珂等 [7] 的正交性和计算 的收敛性 ，简化成矩形结构。 研究 了蜗壳截面尺寸对 向心涡轮性能的影 响。 叶轮的叶顶 间隙为 0．6mm，轮背侧气封径 向 但是 目前关于开式向心涡轮背部间隙以及密封 间隙为 0．08