天然气用涡旋增压器的设计及性能研究

【摘要】：涡旋增压设备作为一种新型的气体增压设备,属于叶轮机械的一种,由于其增压原理独特,使其同时具有吸吹气功能,既能产生高压升,又能产生一定真空,其结构简单、易损件少、维护少、成本低,可在一定工况下取代压缩机。 基于涡旋增压设备的诸多优点,结合实际工况需求,本文决定采用涡旋增压的形式来设计一套用于天然气增压的设备。由于涡旋增压原理缺少完整的理论支撑,故本文采用经验公式与数值模拟相结合的方式来确定设备的主体结构。另外,考虑到工作介质是易燃易爆的天然气,设备采用双端面机械密封和O圈密封这两种密封形式对设备进行密封,保证设备的密封性。 本文采用三维软件Pro/E建立涡旋增压器流场区域所对应的三维几何模型,分为流道区域和转动的叶道区域,使用Gambit对实体进行网格划分,选用雷诺平均法中的Realize k-ε模型和MRF转动模型进行迭代计算。 本文通过数值模拟得到了流道内部流场的流动状况,从设备入口到出口呈现明显的压力梯度,通过模拟获得的迹线发现流体在流道与叶道之间多次进出,呈螺旋状前进,从流道径向横截面的速度矢量图可以发现明显的双侧对称纵向旋涡的存在,与涡旋增压原理图一致。本文通过模拟定压下转速与流量的关系及定流量下转速与压升的关系,得到转速对设备性能的影响,可用于指导设备性能的调节；本文通过对工况下的甲烷与常压下的空气进行模拟,对比发现二者的质量流量比较接近,与二者的密度成正比,可为空气代替甲烷来进行性能实验提供依据；此外,本文针对进出口管径和环形流道宽度对设备性能的影响进行模拟,通过对比可用于设备结构的优化。 本文搭建了一套的实验平台用于设备的性能实验,采取测量排气端参数的实验方式,进行不同工况下的实验数据采集,生成了设备在不同频率下的压升与效率两条性能曲线,得到设备的性能趋势,发现在45Hz、压升15kPa时,设备的效率最高,在压升不变时,设备的效率随着频率的下降而降低；最后,本文将实验结果与模拟结果进行对比,来验证数值模型的可行性,发现模拟结果略好于实验结果。 综上所述,本文设计的天然气涡旋增压器的性能较好,能够满足工艺要求,同时,本文建立的数值模型可用于预测设备的性能,为设备设计提供参考。 【关键词】：高压 天然气 涡旋增压 数值模拟 实验研究
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE937
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-28
• 1.1 气体增压设备概述9-18
• 1.1.1 离心风机9-11
• 1.1.2 罗茨风机11-13
• 1.1.3 压缩机13-15
• 1.1.4 旋涡风机15-18
• 1.2 旋涡风机研究进展18-26
• 1.2.1 理论研究进展19-23
• 1.2.2 数值模拟研究进展23-24
• 1.2.3 实验研究进展24-26
• 1.3 旋涡风机的应用26-27
• 1.4 本课题的主要研究内容27-28
• 2 涡旋增压器的结构设计28-43
• 2.1 设计思想28-29
• 2.2 局部结构设计介绍29-42
• 2.2.1 叶轮结构29-34
• 2.2.2 流道腔体的结构34-39
• 2.2.3 密封结构39-42
• 2.3 本章小结42-43
• 3 涡旋增压器的流场模拟43-63
• 3.1 数值模拟的思想44-45
• 3.2 控制方程和湍流模型45-47
• 3.2.1 控制方程45-46
• 3.2.2 湍流模型46-47
• 3.2.3 MRF模型47
• 3.3 几何模型47-50
• 3.4 整机流场研究50-54
• 3.4.1 流场压力分布特性50-52
• 3.4.2 速度场特性52-54
• 3.4.3 流动轨迹特性54
• 3.5 转速调节对性能的影响54-57
• 3.6 工作介质间的转化57-59
• 3.7 进出口管径大小对性能的影响59-60
• 3.8 环形流道宽度对性能的影响60-62
• 3.9 本章小结62-63
• 4 涡旋增压器的性能实验63-80
• 4.1 实验思想63-64
• 4.2 实验平台的搭建64-69
• 4.2.1 实验流程64-65
• 4.2.2 实验设备及辅助系统介绍65-69
• 4.3 实验结果及分析69-77
• 4.3.1 实验方案69
• 4.3.2 实验数据处理与分析69-77
• 4.4 数值模型的验证77-79
• 4.5 本章小结79-80
• 结论80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况84-85
• 致谢85-86

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