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在如今这个越来越重视节能减排和环境保护的时代,开发清洁能源和提高能源的利用效率是人们面对当前能源需求时所采取的两种有效措施。液力透平作为一种能量回收装置对能量的回收利用有着非常巨大的作用并可以产生显著的经济效益和生态环境效益。国家发改委编制的《中国节能技术政策大纲(2006年)》第2.2.9条明确提出加氢装置节能技术采用液力透平回收压力能。
能量回收透平作为一个大型运转设备,转子动力学特性对设备运转的平稳性和安全性有非常大的影响。本文所涉及的大型能量回收透平装置回收能量超过500kW,工作转速达到5600r/min,对于大型转子系统,这个工作转速有可能跨越第一阶临界转速。因此,转子动力学特性分析计算是非常必要的。
本文针对合肥市自主创新研发和消化吸收再创新项目《液力透平能量回收装置产业化》的要求,依托中石化100万吨/年加氢裂化装置用余压液力回收透平机组研究内容,对能量回收透平所采用的滑动轴承动特性进行了研究。此外该透平共5级,有5个前口环和5个后口环。虽然单个口环对多级透平临界转速的影响可能并不大,但由于口环数量较多,因而对口环的影响加以具体分析。本文主要研究内容和创新点如下:
1、对转子系统进行Pro/E三维造型,通过Pro/E的模型分析功能获得各个转子部件的质量、质心、惯性张量等物理属性。通过对转子系统的受力分析获得滑动轴承处的支反力。
2、对描述滑动轴承油膜力的雷诺方程进行处理,通过有限差分法来计算滑动轴承的油膜承载力。采用迭代法不断调整偏心率直至承载力接近支反力以此来确定偏心率。再通过有限差分法对滑动轴承的动特性系数进行求解。为了确定该方法的计算准确性,用窄轴承公式对宽径比为0.2,偏心率为0.4时的轴承动特性进行求解,将该方法计算结果与窄轴承公式计算结果进行对比。对比发现该方法的计算具有较好的准确性。
3、通过CFX软件对口环间隙流场进行模拟计算,计算获得前后口坏处的受力大小,同时对前后口环间隙流场进行对比。通过液体密封动特性模型对前后口环处的动特性系数进行求解。
4、基于ANSYS软件建立考虑口环前后的转子模型,结合滑动轴承和口环的动特性系数分别对这两种支撑形式的转子进行了转子动力学特性分析和计算。结果表明:考虑口环影响后,液力透平转子的第一阶临界转速大幅升高,从不考虑口环时计算所得的1886.4r/min提高到3860.2r/min,第二阶临界转速由9025r/min提高到9323.2r/min。本文研究的多级透平转子是柔性转子系统。液力透平工作转速5600r/min大于1.4的倍第一阶临界转速,小于0.7倍的第二阶临界转速,因而工作转速避开了前两阶临界转速。另外,5600r/min的工作转速小于2倍的第一阶临界转速,从而也避免了滑动轴承出现油膜振荡。