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透平膨脹機(jī)是利用氣體膨脹對(duì)外做功而得到能量的裝備，也是低溫空分設(shè)備及氣體分離和液化裝置的重要組成部分。增壓透平膨脹機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域較為常見且應(yīng)用較廣的一種膨脹機(jī)，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由膨脹輪、增壓輪和主軸等旋轉(zhuǎn)零件組成，其中膨脹輪和增壓輪懸掛在主軸的兩端形成雙懸臂式轉(zhuǎn)子。近年來，冶煉、石化和火電行業(yè)的集約化發(fā)展對(duì)透平膨脹機(jī)提出了大型化、高速化和高可靠性的要求。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是透平膨脹機(jī)中連接氣體膨脹做功和對(duì)外輸出能量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是整個(gè)透平膨脹機(jī)的“心臟”，其性能的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)透平膨脹機(jī)的安全運(yùn)行起著決定性的作用。因此，通過對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元分析，可以了解應(yīng)力的分布狀態(tài)，對(duì)透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和參考意義。
透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，受到流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合作用，另外還受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力及其它作用力。由于流熱固三場(chǎng)耦合作用分析難度較大，目前有關(guān)透平膨脹機(jī)零部件在耦合應(yīng)力下的強(qiáng)度分析多采用結(jié)點(diǎn)集中力等效流場(chǎng)氣動(dòng)力，葉輪的進(jìn)出口溫度等效葉輪表面溫度分布，沒有對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的分析且忽略了各個(gè)物理場(chǎng)之間的相互作用關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析不夠精確，給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成了一定的誤差和隱患。為了真實(shí)地反映流場(chǎng)和溫度場(chǎng)在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上的載荷分布，進(jìn)行流熱固三場(chǎng)耦合計(jì)算，本文使用CFX進(jìn)行葉輪內(nèi)部流場(chǎng)分析，ANSYS進(jìn)行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)熱分析和結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用ANSYS Workbench來實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)之間的耦合作用，完成透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在耦合應(yīng)力下的強(qiáng)度分析。
耦合分析是指考慮兩個(gè)或兩個(gè)以上物理場(chǎng)之間的交叉作用和相互作用的分析類型。目前用于求解耦合分析問題的方法主要有直接耦合法(強(qiáng)耦合法)和順序耦合法(弱耦合法)。直接耦合法通過改寫各物理場(chǎng)的控制方程，構(gòu)造出統(tǒng)一的求解方程并直接求解。該方法不存在時(shí)間滯后問題，但是求解時(shí)要求各場(chǎng)網(wǎng)格一致，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。相反，順序耦合法按照一定的順序依次求解各個(gè)物理場(chǎng)的控制方程，并在各場(chǎng)交界面通過插值運(yùn)算交換信息從而實(shí)現(xiàn)耦合求解。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于各物理場(chǎng)求解過程相互獨(dú)立，可以最大化地利用己有數(shù)值分析的方法和程序，縮短計(jì)算時(shí)間。因此，本文采用順序耦合法進(jìn)行透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流熱固三場(chǎng)耦合分析計(jì)算，由于只考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能，各物理場(chǎng)交界面處采用單向數(shù)據(jù)傳遞模式，其計(jì)算流程如圖所示，包含流場(chǎng)分析，熱分析和結(jié)構(gòu)分析。在三場(chǎng)耦合分析的計(jì)算過程中，葉輪表面氣體壓強(qiáng)在流固交界面處從流場(chǎng)單向傳遞到結(jié)構(gòu)場(chǎng)，葉輪表面溫度在流熱交界面處從流場(chǎng)單向傳遞到溫度場(chǎng)。熱分析導(dǎo)熱微分方程是求解轉(zhuǎn)子系統(tǒng)傳熱問題的控制方程，對(duì)于各向同性材料，導(dǎo)熱微分方程在笛卡爾坐標(biāo)系下可以表達(dá)為如下形式：根據(jù)位移列陣可以計(jì)算出應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論完成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。
根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實(shí)際模型，建立流熱固三場(chǎng)耦合分析所需要的計(jì)算模型，整個(gè)過程包括三維建模，網(wǎng)格劃分，載荷和邊界條件及其它相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。首先采用葉片設(shè)計(jì)專用軟件B1adeGen完成膨脹輪和增壓輪葉片的幾何造型，然后在Design Modeler中完成全流道流場(chǎng)的三維建模。出于CFD計(jì)算收斂性和穩(wěn)定性方面的考慮，適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)了葉輪的入口段和出口段，采用四面體劃分法和掃掠法相結(jié)合的方式對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即對(duì)入口段和出口段采用四面體劃分法而對(duì)葉輪流道內(nèi)的流體采用掃掠法。此外，對(duì)于流道內(nèi)的流體，需要考慮邊界層的影響，所以對(duì)靠近葉片、輪盤和輪蓋的流膨脹輪和增壓輪內(nèi)的流場(chǎng)計(jì)算使用CFX軟件，兩個(gè)葉輪的流場(chǎng)模擬類型均為穩(wěn)態(tài)分析，以透平膨脹機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況作為輸入條件。兩個(gè)葉輪的工作轉(zhuǎn)速均為22700r/min，采用經(jīng)典的湍流模型和全熱(Total Energy)熱量傳輸模型，工作介質(zhì)為空氣(理想氣體)，邊界條件都采用入口質(zhì)量流量、出口靜壓和壁面無滑移條件。
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