基于CFD的透平膨胀机轴向推力计算
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题1. 引言1.1 研究背景液力透平是一种利用水动力能量转换为机械能的装置，广泛应用于水电站、泵站等工程中。
在液力透平的设计与运行中，最高效率点是十分重要的参数，它代表着液力透平在最佳工况下的性能表现。
在实际运行中，液力透平的最高效率点往往会偏离设计工况。
这就引发了研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题。
液力透平最高效率点偏离设计工况可能会导致能量损失增加、效率降低、运行不稳定等问题，影响设备的运行效果和经济性。
研究液力透平最高效率点偏离设计工况的影响因素以及原因，对于优化液力透平设计、提高设备性能具有重要意义。
在现代科学技术的发展下，计算流体力学（CFD）仿真技术的应用日益广泛。
通过CFD仿真，可以对液力透平的内部流场和性能进行详细的数值分析，揭示液力透平最高效率点偏离设计工况的机理，为改进设计工况提供理论支持。
结合CFD仿真技术开展液力透平最高效率点偏离设计工况的研究，具有重要的工程应用价值。
1.2 研究目的具体目的包括：研究液力透平工作原理及设计工况，了解其在理想状态下的运行机理；探讨CFD仿真在液力透平研究中的应用，分析其对液力透平效率提升的作用；分析液力透平最高效率点偏离设计工况的影响因素，识别其导致性能下降的主要原因；通过改进设计工况，提出相应的措施和方法，提高液力透平的效率和性能。
通过以上研究，可以为液力透平的性能优化和设计提供理论参考和实践指导。
1.3 研究意义液力透平是一种重要的能量转换装置，广泛应用于水力发电、工业化工等领域。
研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题，对于提高液力透平的效率和性能具有重要意义。
通过深入研究液力透平最高效率点偏离设计工况的影响因素，可以帮助工程师更好地理解液力透平的工作原理，进而设计出更加优化的液力透平结构。
分析液力透平最高效率点偏离设计工况的原因，可以为解决这一问题提供理论依据和技术支持。
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题
基于CFD仿真及水轮机理论研究液力透平最高效率点偏离设计工况的问题液力透平是一种利用流体动能转换为机械能的装置，广泛应用于水力发电、风力发电和化工领域。
在液力透平的设计与运行过程中，液力透平的最高效率点偏离设计工况的问题一直是工程师和研究人员关注的焦点。
为了解决这一问题，许多学者通过基于CFD仿真和水轮机理论研究的方法进行了深入研究。
液力透平的工作原理是通过叶片将水流的动能转换为机械能，从而驱动涡轮机进行功率输出。
最高效率点是指在设计工况下，液力透平能够获得最大的效率。
然而在实际工作中，液力透平的实际运行工况与设计工况可能存在偏差，这就导致了最高效率点偏离设计工况的问题。
造成最高效率点偏离设计工况的原因主要包括液体特性、叶片设计和流体动力学等方面的因素。
寻找液力透平最高效率点偏离设计工况的原因并提出针对性的解决方案，对于提高液力透平的运行效率和性能具有重要意义。
基于CFD仿真的研究方法可以提供液态透平内部流场的详细信息，帮助工程师和研究人员深入了解液态透平内部流动现象，并发现最高效率点偏离设计工况的原因。
通过分析液力透平内部的流场分布、压力变化以及叶片的受力状况等信息，可以揭示出最高效率点偏离设计工况的机理。
基于CFD仿真的研究可以帮助设计人员优化液态透平的结构和叶片设计，使其在实际工况下能够更接近设计工况，提高液态透平的运行效率。
水轮机理论的研究也对液态透平最高效率点偏离设计工况的问题有着重要的意义。
水轮机理论研究可以从宏观角度上分析液态透平的流体动力学特性，揭示出最高效率点偏离设计工况的根本原因。
通过水轮机理论的研究，可以优化液力透平的结构参数和运行工况，使其在不同工况下能够更加稳定和高效地运行。
液力透平最高效率点偏离设计工况的问题是液力透平领域中的一个重要问题，解决这一问题需要工程师和研究人员从多个方面进行深入研究。
基于CFD仿真和水轮机理论研究的方法为解决液力透平最高效率点偏离设计工况的问题提供了重要的研究思路和技术手段。
大型空分装置用低温液体膨胀机内流及轴向推力数值计算
大型空分装置用低温液体膨胀机内流及轴向推力数值计
算
大型空分装置用低温液体膨胀机是一种常用于工业生产中的机械设备，常用于低温液化空分装置中，主要用于将低温液体通过膨胀机进行膨胀，
使其得到更低的温度，并通过机械能的转换来产生制冷效果。
在低温液体
膨胀机的运行过程中，内流和轴向推力是两个重要的参数，对机器的性能
和安全运行有重要影响。
内流是指液体在膨胀机内部的流动情况，包括液体的流速、流量等参数。
内流对膨胀机的制冷效果和能耗有直接影响。
在计算内流时，需要考
虑到液体的物理性质、膨胀机的结构和工作条件等因素。
一般来说，内流
的计算可以通过流体力学和传热学的理论进行分析，结合实际的工艺条件
和实验数据进行修正和验证。
常用的计算方法包括理论计算、数值模拟和
实验测量等。
轴向推力是膨胀机受到的液体推力，是指液体对膨胀机转子的推动力。
轴向推力对膨胀机的安全运行和机械寿命有重要影响。
过大的轴向推力会
导致轴承故障和机械振动等问题，影响膨胀机的运行稳定性和可靠性。
在
计算轴向推力时，需要考虑到膨胀机的结构和转子的工作状态，通常可以
通过实验测量和结构分析的方法进行。
在大型空分装置用低温液体膨胀机内流及轴向推力的数值计算中，需
要综合考虑液体的物理性质、膨胀机的结构和工作条件等因素。
根据实际
情况选择合适的计算方法，并结合实验数据进行修正和验证。
通过对内流
和轴向推力的准确计算，可以优化膨胀机的设计和工艺参数，提高膨胀机
的制冷效果和运行安全性，从而提高整个空分装置的生产效率和经济效益。
一种用于单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置及设计方法与流程
一种用于单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置及设计方法与流程（原创版4篇）目录（篇1）1.单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置的背景和需求2.轴向力平衡装置的设计方法3.轴向力平衡装置的设计流程4.轴向力平衡装置的应用效果正文（篇1）一、单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置的背景和需求单级径向透平膨胀机是一种常见的能量转换设备，广泛应用于工业生产中。
然而，由于其结构和工作原理的特殊性，往往会产生较大的轴向力，这对设备的运行稳定性和寿命造成了影响。
因此，设计一种轴向力平衡装置，以平衡透平膨胀机的轴向力，成为了亟待解决的问题。
二、轴向力平衡装置的设计方法轴向力平衡装置的设计主要基于以下的原理：通过设置一个与透平膨胀机转子同步旋转的平衡轮，使其在旋转过程中产生一个与透平膨胀机转子轴向力大小相等、方向相反的力，从而达到平衡轴向力的目的。
在设计过程中，需要考虑平衡轮的质量、半径、材料等因素，以确保其能够在各种工况下都能有效平衡轴向力。
三、轴向力平衡装置的设计流程设计轴向力平衡装置的一般流程如下：1.分析透平膨胀机的工作原理和结构，确定其产生的轴向力的大小和方向。
2.确定平衡轮的结构和尺寸，包括其半径、宽度、材料等。
3.利用力学原理，计算出平衡轮所需的质量和半径，以达到平衡轴向力的目的。
4.设计出平衡轮的安装方式，确保其能够在透平膨胀机运转过程中稳定地旋转。
5.通过仿真软件进行模拟计算，验证轴向力平衡装置的有效性和可行性。
目录（篇2）1.单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置的背景和需求2.轴向力平衡装置的设计方法3.轴向力平衡装置的设计流程4.轴向力平衡装置的应用效果和优势正文（篇2）【1.单级径向透平膨胀机的轴向力平衡装置的背景和需求】单级径向透平膨胀机是一种广泛应用于工业领域的动力设备，其主要作用是将高速旋转的动能转化为压力能，以驱动后续的生产流程。
然而，由于其在工作过程中的特殊性，会产生较大的轴向力，这对设备的运行稳定性和长期使用性能造成影响。
透平膨胀机组动静压径向推力联合浮环轴承推力部分静动态性能研究
河南郑州 ４００ ） ５０ １
（ 州 大 学 机械 工 程 学 院 郑
摘 要 ：给 出 了动静 压 径 向推 力联 合浮 环 轴承 推 力部 分 内 、外 层 油 膜 Ｒ ｙｏ ｓ 程 和 边 界 条 件 ，通 过 有 限 元 计 算 得 ｅｎｌ 方 ｄ 到 ｒ不 同 间隙 和转 速 下 内 、外 层 油 膜 的压 力分 布 和静 、动 态特 性 参 数 。采 用深 腔 作 为节 流 腔 ，分析 计 算 了该 内置扁 毛细 管 节 流 的 相 当节 流 比 。该推 力 浮 环 轴承 与 透 平膨 胀 机 组 原来 使 用 的 五 瓦 可 倾 瓦轴 承 相 比 ，稳 定 工 作 时 摩 擦 功 耗 降 低 约
透 平膨胀机是空 分设 备的关键 配套机组 ，其性能
程 及边 界条件 ，用有 限元法计算出该轴承推力部 分的 静 、动 态特性参数 ，并将计算结 果与原五瓦可倾 瓦轴
承参数进行了 比较。
１ 工作 原 理 及 轴 承 结 构 特 点
关系到空分设备 的安 全运行 ，其转子轴承 系统及辅助 设备是膨胀机组的核心 ，本 文作者 采用动静压径 向推 力联合 浮环轴承代替原来 的五瓦可倾 瓦轴 承 ，减少 了
２ ６％ 。
关键 词 ：径 向推 力 浮 环轴 承 ；推力 部 分 ；摩 擦功 耗 ；相 当节 流 比 中图 分类 号 ：Ｔ ３ ． ；Ｔ １．５ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：０５ ０５ （ ０７ ＨＩ３３ Ｈ１３２ ２４— １ ０ ２ ０ ）８— ２ ４ ０ ８—
Ｓ ａ ｉ ｎ ｎ ｍ ｉ ｔ ｔｃ ａ ｄ Ｄｙ ａ ｃ Ｃｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｓ Ｓ ｕ ｎ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｔ ｄｙ ｏ Ｔｈｒ ｓ ｅ ｔ ｒ ｏ ｈ ｕ ｔ Ｓ ｃ ｏ ｆ ｔ ｅ Ｔｈｒ ｓ － ａ ａ ｏ ｔｎ － ｉ ｇ Ｈ ｙ ｒｄ Ｂｅ ｒ ｎ ｕ ｔ ｒ ｄｉ ｌＦｌ ａ ｉ ｇ ｒ ｎ ｂ ｉ ａ ｉ ｇ
离心式合成气压缩机高压缸轴向推力计算模型及其应用
第4期2018年7月中氮肥M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressNo. 4 Jul. 2018离心式合成气压缩机高压缸轴向推力计算模型及其应用弓定振(中海石油建滔化工有限公司，海南东方572600)[摘要]对某甲醇装置离心式合成气压缩机高压缸转子结构进行简化，将压缩机转子所受轴向推力进 行分解，并建立转子所受轴向推力的计算模型，计算得出压缩机在正常工况和紧急停车过程中的轴向推力，所得计算结果与压缩机厂商提供的测算数据较为接近，表明该计算模型具有较强的参考意义。
基于轴向推 力计算模型验算发现，紧急停车过程中合成气压缩机高压缸转子产生的轴向推力超出了止推盘锁紧螺母和 止推轴承的承受能力，易造成干气密封损坏。
为此，通过增设平衡盘压力检测表、改造压缩机平衡系统以 消除平衡管的气阻，确保了合成气压缩机的安全、稳定运行。
[关键词]离心式合成气压缩机；转子；轴向推力；计算模型；止推盘锁紧螺母；干气密封；平衡管压 差；技术改造[中图分类号]TH452 [文献标志码]B[文章编号]1004 -9932(2018)04 -0050 -051合成气压缩机高压缸简况某甲醇装置以天然气为原料，转化反应生成[收稿日期]2017-12-27 [修稿日期]2018-01-02[作者简介]弓定振（1984—）男，山西文水人，硕士，工程 师，中海石油建滔化工有限公司工艺技术部工艺技术监督。
3.4机械杂质堵塞机械杂质堵塞，杂质主要是管道铁锈或安装时遗留的垃圾。
乙烯进蒸发器前的常温段及上游系统均采用碳钢管道，易产生铁锈；板翅式换热器内杂质通过率极低（其结构相当于60〜80目的过滤器），设备安装后吹除杂质时若带蒸发器吹扫，极易造成杂质堵塞。
处理方式：检查乙烯流道的清洁度，尤其应注意碳钢管道的除锈和控锈措施；乙烯介质进蒸发器前设置带阻力指示的过滤器；增设乙烯侧差压测点。
3.5换热器的热阻大丙烯压缩机的润滑油进入换热器中（主要是指丙烯侧），润滑油会粘附在换热器翅片上，增大热阻。
大型空分装置用低温液体膨胀机内流及轴向推力数值计算
大型空分装置用低温液体膨胀机内流及轴向推力数值计算赵问银;王科;宋鹏【摘要】对大型内压缩流程空分装置用低温液体膨胀机在不同工况下的整级流场进行了数值模拟计算,预测了不同工况下转子的轴向力水平,对影响轴向力的因素进行了参数化研究.数值结果显示,轴向力随着流量的增加而线性地缓慢增加；随着轴封密封齿与转子间的间隙增大,轴向力迅速减小并反向；轴向力计算的结果为改进和进行轴向力平衡结构的设计提供了相应的依据.同时,通过分析、对比计算轴向力的两种方法(数值模拟和经验公式法)所得的结果,指出了经验公式法计算轴向力的局限性和改进的方向.%Numerical investigation was performed for a single stage cryogenic liquid turbine in the large-scale internal compression air-separation unit and prediction of the impeller axial thrust was obtained at different conditions. To identify the influential factors of axial thrust, geometry parametric study was carried out numerically. The results indicate that the axial thrust increases as turbine flow rate increases linearly, the axial thrust is sensitive to the shaft seal gap size and it decreases evidently as the size increases. The obtained results provide a good basis to balance the axial thrust and obtain a moderate one. For the purpose of comparison, the empirical method was used to predict the axial thrust load. The obtained results were compared to the numerical ones and deviation of the empirical from the numerical method was analyzed and highlighted.【期刊名称】《低温工程》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】6页(P16-21)【关键词】液体膨胀机;轴向力;CFD;轴向力平衡【作者】赵问银;王科;宋鹏【作者单位】开封空分集团有限公司设计研究院开封475002;西安交通大学能源与动力工程学院西安710049;西安交通大学能源与动力工程学院西安710049【正文语种】中文【中图分类】TB6531 引言液体膨胀机是大型空分设备以及液化天然气(LNG)等设备中替代传统节流阀的新型节能装置，利用液体膨胀机替代液体节流阀是在实现节流降压的同时，回收高压液体的压力能，并能有效地抑制汽化，产生显著的节能降耗效益［1］。
燃气轮机性能分析报告3——透平特性的计算
动力与能源工程学院燃气轮机性能分析（报告三）学号：专业：动力机械及工程学生姓名：任课教师：2010年4月透平特性的计算一、透平特性计算的意义目前，燃气轮机已广泛应用于航空、船舶、发电等诸多领域，提高燃气轮机的性能已成为人们关注的焦点。
透平变工况通常是指转速、入口压力、温度以及出口压力的变化。
上述参数的变化将会导致级间热降的重新分配、速度三角形的变化以及流动损失的改变，最终引起涡轮级综合参数(流量、效率以及功率)的变化。
讨论变工况可以更好的了解已设计好的透平在工况变动时性能的变化(如功率、效率、扭矩等)和各参数的变化规律。
使运行时能情况明了。
一个好的透平，应该在设计工况和变工况下都是工作良好的。
在设计时，就要预先考虑变工况的性能，对于变工况运行时间较长的机组，尤其要注意到这点。
工况变动的多少，要视具体任务而定。
如机车的燃气轮机，在拖动平原地区长途特快客车时，工况就变得少，如果是站内调度车厢之用，工况就变动得多。
此外，讨论透平变工况还可以为整个装置的变动工况计算及调节控制系统设计提供必要的数据。
二、特性线获取的方法概述变工况特性曲线的决定方法分实验和计算两种。
实验法可以得到比较准确的数据，也是校核计算法是否准确的客观标准。
但实验法要有一定的设备和消耗，在机器未制造出来以前，也无法进行。
整台透平试验，要有足够大的风源，只有专门的科研生产机构才能实现。
当然，也可根据相似原理，做缩小比例的模型试验，此时就要做模型。
总之，试验费用是昂贵的。
实验法是好，但不易办到。
计算法虽准确度差点，却容易实观。
计算的方法较多，把用经验公式或类似机组的比拟方法除外，则现存的计算法基本原理都差不多。
把透平看成一个流道，以平均直径处基元级代替级，在各轴向间隙(即前述之特征截面)处满足基本方程(即连续方程、能量方程、运动方程和状态方程)，就可推算出各不同相似准则数下(如膨胀比和折合转速)，其它准则数(如效率、折合流量等)为多少。
各种方法的不同大致是由计算时选用的叶栅损失模型、简化假定和计算技巧不同造成的。
液力透平增压泵轴向力数值计算与分析
液力透平增压泵轴向力数值计算与分析纪运广;李啸宇;陈勃同;崔洪斌;李洪涛;薛树旗【摘要】针对用于合成氨脱碳工艺流程的余压能量回收液力透平增压泵的推力轴承设计缺乏数据支撑的问题,采用全流场数值模拟方法,得到了透平增压泵泵侧和透平侧的外特性及其总效率曲线,并给出了两侧中间面、叶片表面和轴向中间面压力分布情况,进而分析了两侧盖板力、叶片力和内表面力及透平增压泵总轴向力变化趋势.结果表明,泵侧轴向力随着流量的增大先减小后增大,透平侧轴向力则逐渐增大;在工况范围内,总轴向力的方向始终指向泵侧,与理论计算得到的趋势一致.研究结果验证了液力透平增压泵只需在透平侧安装推力轴承的可行性,可为液力透平增压泵的推力轴承结构设计提供轴向力数据参考.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】7页(P189-195)【关键词】流体机械及流体动力工程;液力透平增压泵;轴向力;全流场;数值模拟【作者】纪运广;李啸宇;陈勃同;崔洪斌;李洪涛;薛树旗【作者单位】河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018;河北科技大学机械工程学院,河北石家庄050018【正文语种】中文【中图分类】TH31液力透平增压泵(或称透平泵，hydraulic turbocharger)是一种新型液体余压能量回收装置，机组工作效率能够达到60%～70%，甚至更高，被称之为离心泵反转式液力透平之后的第2代余压能量回收装置[1-2]。
液力透平增压泵通过轴把透平叶轮与泵叶轮刚性连接，并封装在同一壳体中，因而结构紧凑，无外泄漏，可靠性高[3-4]。
由于两侧叶轮共轴安装，其轴向力变化与离心泵反转式液力透平有很大差异。
目前，国内外对液力透平增压泵的研究较少，其轴向力的计算分析尚未见到发表成果，只有气体膨胀机、离心泵和泵反转式液力透平等流体机械轴向力的研究成果可供参考。
透平膨胀比
任务名称：透平膨胀比一、什么是透平膨胀比透平膨胀比是用来描述透平机械设备中膨胀阶段与压缩阶段的比值。
透平是一种将流体流动能转化为机械能的装置，透平膨胀比是控制透平机性能的重要参数。
二、透平膨胀比的计算方法透平膨胀比的计算方法是通过比较流过膨胀阶段和压缩阶段的流体压力比来得到。
具体计算公式如下：透平膨胀比 = 压缩阶段出口压力 / 膨胀阶段入口压力三、透平膨胀比对透平机性能的影响透平膨胀比对透平机性能有着重要的影响，具体体现在以下几个方面：1. 透平效率透平膨胀比的增加会导致透平效率的降低。
透平效率是指透平机械设备将透平膨胀过程中的热能转化为机械能的比例。
当透平膨胀比增加时，流体在膨胀阶段的压力降低，进而导致流过透平机械设备的压力比差减小，从而降低了透平效率。
2. 透平功率透平膨胀比的增加会导致透平功率的增加。
透平功率是透平机械设备输出的机械功率，与流体流动能转化为机械能的程度有关。
当透平膨胀比增加时，流体在膨胀阶段的压力降低，而透平功率与透平膨胀比成正比关系，因此透平功率也会随之增加。
3. 透平温度透平膨胀比对透平温度也有一定的影响。
膨胀阶段的出口温度与透平膨胀比成正比关系，即透平膨胀比增加会导致出口温度的升高。
这是由于透平膨胀比增加降低了流体在膨胀阶段的压力，在温度-压力关系下，流体温度也随之增加。
四、透平膨胀比的应用领域透平膨胀比的概念在能源领域的透平机械设备中得到广泛的应用。
以下是几个透平膨胀比应用的领域：1. 汽车发动机汽车发动机中的涡轮增压器是基于透平原理工作的，而透平膨胀比对涡轮增压器性能的影响非常重要。
透平膨胀比的选择要根据发动机的具体需求来确定。
2. 航空发动机航空发动机中的涡轮增压器和喷气推进器同样是基于透平原理工作的。
透平膨胀比的选择直接关系到发动机的性能，如推力和燃油效率等。
3. 汽轮机汽轮机是利用高温高压蒸汽驱动透平机械设备的能源转换装置，透平膨胀比是影响汽轮机性能的重要因素之一。
透平膨胀机资料
透平膨胀机1、空分设备配套膨胀机的基本要求及工作原理绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。
而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。
膨胀机可分为活塞式和透平式两大类。
一般来说，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。
而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。
随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。
与活塞膨胀机相对比，透平膨胀机具有占地面积小(体积小)，结构简单，气流无脉动，振动小，无机械磨损部件，连续工作周期长，操作维护方便，工质不污染，调节性能好和效率高等特点。
对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要，可以说它是空分设备的心脏部件之一。
随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要求，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。
特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。
这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，有的具有很大的膨胀比。
活塞膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出外功，也称为容积型膨胀机。
工质在冷钢内推动活塞输出外功，同时本身内能降低。
透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨胀机。
工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
2、透平膨胀机的分类工质在工作轮中膨胀的程度，称为反动度。
具有一定反动度的透平膨胀机就称为反动式透平膨胀机。
如果反动度很小甚至接近于零，工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动，并对外做功，这种透平膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。
根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式，径—轴式和轴流式；如图：如果工作轮叶片两侧有轮盘和轮盖，则称为“闭式工作轮”没有轮盖只有轮盘的则称为半开式工作轮。
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和 。工作 轮与 增压 轮结 构尺寸 和轴 向推 力分 布如
图 １ 所示。
近 年来 ， 随着 Ｃ Ｆ Ｄ技 术 的快速 发展 ， 越来 越
李
超， 男， １ ９ ５ ８年 ３月 生 ， 教授。甘肃省兰州市 ， ７ ３ ０ ０ ５ ０ 。
第４ ２卷
第 １期
化
工 机 械
则 透平 膨胀 机转 子所 受 的总轴 向推力 Ｆ 。 为：
要 理论 意义 和工 程应 用价 值 。
轴 向推 力 的计 算 主要 有 经 验 公 式 法 、 解 析 法
其 工作 轮 、 增压 轮 间隙和迷 宫 密封 的三维 模型 ， 在 考虑 机械磨 损 等 因素 的基础 上 ， 采用 Ｃ Ｆ Ｄ对 叶轮
两侧 间隙 内压 力和轴 向推 力进 行 了分析 计算 。
Ｆ ＝Ｆ 一Ｆ （ ３ ）
１ ． ２ Ｃ Ｆ Ｄ分 析模 型
叶轮转 速 、 间 隙结构 尺寸 、 间 隙 内气 体 压力及
叶轮 出 口处 气体 压力 等是 影 响叶 轮两侧 间 隙 内压
力 分 布 的主要 因素 。分别 建立 工作 轮 和增压 轮 轮
盖侧 、 轮背侧 间隙和 对应 的密 封模 型 ， 以便精 确地
磨 损使 密封 齿齿 高减 小 、 密封 间隙增 大 ， 导致 叶轮
空 腔侧 压力 分 布不 同 ， 进 而使 轴 向推 力发 生变 化 。 笔 者分 析 了某 透平 膨 胀 机 的 轴 向推 力 ， 通 过 可 靠运 转 ， 因此 提高轴 向 推力 计算 精度 、 轴 系运 转稳 定性 和机 组可 靠性 ， 对 透平 膨胀 机 理论设 计 和延长 设备 使用 寿命 具有 重
力进 行 了模 拟 计 算 ， 并 将 模 拟 结 果 与 轴 向推 力 经验 公 式计 算 结 果进 行 比 较 。
关 键 词 透 平膨 胀 机 轴 向推 力 Ｃ Ｆ Ｄ 工作轮 增 压 轮
中 图分 类 号
Ｔ Ｑ ０ ５ １ ． ５
文献标识码
Ａ
文章 编 号
０ ２ ５ ４ — ６ ０ ９ ４ （ ２ ０ １ ５ ） Ｏ １ 一 Ｏ ｌ １ Ｏ 一 ０ ６
１ １ ０
化 工 机 械
２ ０ １ ５拄
基 于 ＧＦ Ｄ的透 平 膨 胀 机 轴 向推 力计 算
李 超 张 国军 程金 明 孙 照 岚
（ 兰州理工大学石油化工学院）
摘 要 为 了准 确 地 预 测 透 平 膨 胀 机 的 轴 向 推 力 ， 建立 其力 学分析模 型和 叶轮 间 隙、 迷 宫 密 封 三 维 模 型 。通 过 受 力分 析 ， 采 用 低 数ｋ － ｅ模 型 和 Ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｃ算 法 ， 考 虑机 械 磨 损 的 影 响 ， 对 透 平 膨 胀 机 轴 向 推
ａ ．工 作 轮
确 定 两侧密 封 的泄漏 量 和轴 向推力 。工 作 轮和增
压轮 的结构 参数 如下 ：
工作 轮轮 轴 线 至 工 作 轮 出 口端 面 的距 离 ｄ
１ ０ ７ｍｍ
工作轮 外径 ｄ ２ １ ６ ０ ａ ｒ ｍ
转轴直 径 ｄ ３ ０ ｍ ｍ 工 作轮 轴 线 至 增 压 轮 背 侧 出 口端 面 的 距 离
用 中有着 显 著 的 优 势 。 随 着 透 平 膨 胀 机 的 大
不 同工 况下 的整 级 流 场 进行 了数 值 模 拟 计算 ， 预
测 了不 同工 况下 转 子 轴 向推 力 水 平 ’ 。王 维 民 等 分析 了离 心压 缩 机 轴 向推力 的组 成 ， 并 采 用 数
型化 和 高 速化 ， 对 其 机 组设 计 、 制造 、 运 行 寿 命 及
轴 向推 力进 行 了计 算
。Ｋ ｕ ｒ ｏ ｋ ａ ｗ ａ Ｊ等 通 过 分
１ ． １ 透平膨 胀机 轴 向推 力组成
整个 透平 膨胀机 转 子所受 的轴 向推 力是 增压 叶轮 所受 的轴 向推力 与 工作轮 所受 的轴 向推 力之
析火箭 发 动机 中透平 泵旋 转壁 面 和静止 壁 面之 间 的间 隙流 流动特 性 ， 进 而用 解 析 法 计 算 其轴 向推
１ 透 平 膨 胀 机 叶 轮 两 侧 间 隙 中 流 体 流 动 ＣＦ Ｄ
分 析
和 数值解 法 ３种方 法 。高原 分 析 了透 平膨 胀机 轴 向推力 的组 成 ， 介绍 了透 平 膨 胀 机 轴 向 推力 估 算 的有关 近似 计算 公 式 ， 并 对 增 压 透 平膨 胀 机 转 子
透平膨 胀机 是 利用工 质 的绝热 等熵 膨胀 流动 来获得 低 温和进 行 能 量 回收 的 主要 设 备 ” ， 在 空
多 的研究 者采 用数 值法 计算 轴 向推力 。赵 问银 等 对 大型 内压缩 流程 空分 装置 用低 温液 体膨 胀机 在
调、 空气 分离 、 低温 环境 以及 废弃余 能 等 的综合 利
可靠 性评 估等 方 面 提 出 了更 高 的 要 求 ， 尤 其 是 如 何提 高转 子运 行稳 定性 方面 。
值 法对其 进 行 计 算
。Ｈ ａ ｎ Ｚ Ｘ和 Ｃ ｉ ｚ ｍ ａ ｓ Ｐ Ｇ
Ａ在考 虑 离心压 缩机 叶轮 间 隙与 叶轮耦 合 的基 础 上 计算 出离 心压缩 机 的轴 向推 力 …。
以上文 献均 对 轴 向 推力 进 行 了计 算 ， 但 未 考 虑 到 透平膨 胀机 在运 转 时存在 的机 械磨 损 。机 械
叶轮 作 为透平 膨胀 机 的核 心 部 件 ， 其 性 能 和
结构 的稳 定性 对整 个 透平膨 胀 机安全 可靠 的运 行 起着 至关 重要 的作 用 。但 由于 在设计 阶段 对转 子 轴 向推力 的计 算不 准 确 ， 导 致 叶轮轴 向窜 动 ， 从 而
ｄ ２ １ ３ ０ｒ ａ ｍ
工 作轮 密封 间 隙
ｂ ． 增 压 轮
０ ． １ ２ ｍ ｍ
增 压轮 轴 线 至增 压 轮 进 口端 面 的 距 离 Ｄ