微型燃?xì)廨啓C(jī)向心透平的設(shè)計(jì)與仿真

微型燃?xì)廨啓C(jī)向心透平的設(shè)計(jì)與仿真

小型鑒于分散的燃料小氣汽的電機(jī)轉(zhuǎn)速為25.30kg。其基本技術(shù)特點(diǎn)是積極平衡、離心式壓力和回?zé)嵫h(huán)，具有效率高、低nox和uh排放、體積小、重量輕、適用燃料范圍廣等特點(diǎn)。滿足當(dāng)前能源、環(huán)保的要求，以及現(xiàn)代工業(yè)和家庭對(duì)能源系統(tǒng)的需求。虛擬現(xiàn)實(shí)（虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)，三維）技術(shù)集成了數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖像工具化、信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的信息技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算了應(yīng)用于心臟透平的熱參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了向心透平的數(shù)字采樣模型。該算法結(jié)合了金元分析技術(shù)，并將重要部件的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)葉片連接起來，可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。解決小氣汽事業(yè)的技術(shù)支持。1透平膨脹機(jī)的組成結(jié)構(gòu)向心式燃?xì)馔钙嚼幂^大的焓降產(chǎn)生較高的圓周速度,一般可達(dá)400～500m/s;其顯著缺點(diǎn)是制造加工復(fù)雜.氣體流經(jīng)透平機(jī)時(shí)的膨脹過程是一個(gè)等熵膨脹過程.膨脹氣體流經(jīng)的元件是蝸殼、導(dǎo)流器、葉輪及擴(kuò)壓器,它們組成了透平膨脹機(jī)的通流部分,通流部分是制冷及輸出功的部件.圖1是向心透平的組成結(jié)構(gòu)圖.由圖可見,具有一定壓力的膨脹空氣進(jìn)入蝸殼后,再流入噴嘴、葉輪及擴(kuò)壓器,然后離開透平.蝸殼將氣體均勻的分配到噴嘴中,噴嘴可將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動(dòng)能;葉輪將氣體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的機(jī)械功,而氣體本身的壓力及溫度降低;擴(kuò)壓器將低溫的氣體排出.氣體經(jīng)過上述4個(gè)元件后,降低了壓力及溫度,并輸出功.2向心透明的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)2.1參數(shù)化技術(shù)的三維建模虛擬設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)者在虛擬環(huán)境中用交互手段對(duì)在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立的模型進(jìn)行修改.向心透平的設(shè)計(jì)是微型燃?xì)廨啓C(jī)虛擬設(shè)計(jì)研究中的主要模塊之一,其主要任務(wù)是:研究確定向心透平設(shè)計(jì)模塊的體系結(jié)構(gòu);建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型,利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算向心透平的參數(shù),建立基于參數(shù)化技術(shù)的的三維實(shí)體模型;研究向心透平設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和虛擬環(huán)境,實(shí)現(xiàn)向心透平在虛擬環(huán)境中的裝配.圖2為向心透平設(shè)計(jì)模塊的體系結(jié)構(gòu).該體系結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是:(1)采用模塊化設(shè)計(jì)方法,有利于系統(tǒng)的修改、擴(kuò)展和維護(hù).向心透平的蝸殼、噴嘴、葉輪和擴(kuò)壓器等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)計(jì)算,實(shí)體建模,虛擬樣機(jī)的建立,靜態(tài)動(dòng)態(tài)分析等功能模塊可按實(shí)際要求進(jìn)行擴(kuò)充和修改,亦可單獨(dú)使用,具有較好的開放性.(2)通過友好方便的可視化界面,以面向?qū)ο蟮木幊谭绞?將向心透平的分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算、虛擬演示等過程集于一體,為用戶提供了一種設(shè)計(jì)計(jì)算向心透平以及了解其工作過程的集成平臺(tái).(3)采用統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫管理.工程數(shù)據(jù)庫中包括設(shè)計(jì)時(shí)的原始數(shù)據(jù),關(guān)鍵部件的幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù),實(shí)體建模、虛擬環(huán)境建構(gòu)、虛擬裝配等過程中的所有數(shù)據(jù).各模塊的數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫管理,便于數(shù)據(jù)的共享和維護(hù).2.2計(jì)算模型2.2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定向心透平的熱力計(jì)算是確定透平機(jī)設(shè)計(jì)方案的依據(jù),在熱力計(jì)算中通過給定的初始參數(shù)確定透平機(jī)的性能參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)參數(shù).經(jīng)熱力計(jì)算后,透平機(jī)通流部分的幾何形狀就確定下來了,之后根據(jù)通流部分形狀進(jìn)行向心透平導(dǎo)向裝置和葉輪的造型設(shè)計(jì).因此,向心透平的主要計(jì)算內(nèi)容為:給定向心透平的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)預(yù)選各通流部分的各參數(shù),計(jì)算出向心透平通流部分各零部件,如葉輪、噴嘴和蝸殼的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù).2.2.2噴嘴、葉輪的結(jié)構(gòu)向心透平采用單蝸室圓截面蝸殼,蝸殼是截面沿流動(dòng)方向均勻變小的螺旋管,具有軸對(duì)稱氣流結(jié)構(gòu).蝸殼結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,常采用耐低溫的鋼合金或鋁合金鑄造而成.蝸殼的設(shè)計(jì)主要是蝸殼截面形狀的選擇和蝸殼型線的設(shè)計(jì).圓截面蝸殼任意截面處的型線半徑r=θ/C+√2R′θ/C(1)式中,截面位置角θ=2πVΚ∫R″R′B?dR/R,V為蝸殼進(jìn)口處氣體的容積流量;K是常數(shù);B是截面位置角θ處的寬度;R′和R″分別為蝸殼出口處和外殼處的半徑,C=4π2K/V.噴嘴是向心透平的導(dǎo)向裝置,其主要作用是把氣流的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)樗俣饶?噴嘴由一定數(shù)量形狀相同的葉片以等間隔分布在圓環(huán)上,與上、下蓋板形成徑向流動(dòng)的通道.噴嘴常用材料為不銹鋼或表面鍍鉻的黃銅.噴嘴的設(shè)計(jì)原則是:保證氣流以較小的流動(dòng)損失流過噴嘴,并在噴嘴出口處獲得指定的流速和流動(dòng)方向.噴嘴設(shè)計(jì)的主要工作是確定噴嘴各結(jié)構(gòu)尺寸和葉片形狀.噴嘴中的損失qn=(i0-i1S)(1-?2)(2)式中,速度系數(shù)?與葉片形狀、尾緣厚度、葉片高度及表面粗糙度有關(guān),中壓小型低溫透平機(jī)?=0.90～0.92;i0為噴嘴進(jìn)口處焓值;i1S為出口處理想焓值.葉輪的主要作用是將氣體的能量轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上的機(jī)械功,它由一定數(shù)量的葉片均勻地分布在一個(gè)輪盤上而形成的,葉片間為氣體的流動(dòng)通道.葉輪的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,工作轉(zhuǎn)速較高,常采用低溫下強(qiáng)度較好又較輕的材料,如鋁合金精密鑄造而成.為了防止高速氣流對(duì)工作輪的沖蝕,通常采用表面陽極氧化處理以提高表面的硬度.葉輪的主要結(jié)構(gòu)尺寸有:葉輪進(jìn)/出口直徑、葉輪出口截面葉片外徑和根徑、流道的曲率半徑、葉輪寬度、導(dǎo)流段寬度和葉片出口安裝角等.葉輪設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定上述各尺寸,并使葉片流道具有良好的流動(dòng)性和葉輪有足夠的強(qiáng)度.葉輪中的損失qr=W22(1/ψ2-1)/2(3)式中,W2為葉輪出口相對(duì)速度;ψ為速度系數(shù),一般徑軸流式葉輪取ψ=0.75～0.92.2.2.3轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪有限元模型有限元分析是虛擬設(shè)計(jì)必不可少的過程和設(shè)計(jì)手段,它通過對(duì)零部件的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)性能的計(jì)算、分析和評(píng)估,驗(yàn)證虛擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性,優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案.利用轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪單元的運(yùn)動(dòng)微分方程:Μe¨δe+ΜeG˙δe-Κecδe+?VΝL/?δe=Fe+Qec+QeΡ(4)建立向心透平葉輪的有限元模型,通過求解得到位移向量δe,求解應(yīng)力、位移和約束反力.式中,Me為單元質(zhì)量矩陣;MeG為單元科里奧利矩陣;Kec、Ke0分別為單元離心力和小位移剛度矩陣;VNL為非線性應(yīng)變能;Qec、QeΡ分別為單元離心力和氣動(dòng)力向量;Fe為相鄰單元和葉片邊界給出的單元節(jié)點(diǎn)力大小.2.3建模技術(shù)2.3.1向心透平模型建模向心透平熱力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),其各參數(shù)需要進(jìn)行反復(fù)迭代.因此,設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用C++Builder可視化集成開發(fā)環(huán)境,開發(fā)了基于Windows的用戶界面.利用C++Builder的OLE功能調(diào)用SolidworksAPI及其參數(shù)化設(shè)計(jì)機(jī)制,集成參數(shù)化設(shè)計(jì)和三維實(shí)體建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)向心透平的參數(shù)化實(shí)體建模.具體實(shí)現(xiàn)方法為:首先由Solidworks建立三維實(shí)體模型,建模過程中用到的尺寸參數(shù)必須采用完全定義方式;由計(jì)算模型的程序化實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模所需驅(qū)動(dòng)尺寸的轉(zhuǎn)化;定義驅(qū)動(dòng)尺寸名稱,用solidworks參數(shù)化技術(shù)將信息存儲(chǔ)到指定的Excel表格中;利用C++Builder的數(shù)據(jù)庫操作形成驅(qū)動(dòng)尺寸數(shù)據(jù)庫,用OLE功能修改實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸,完成新結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)體建模.參數(shù)化建模充分利用對(duì)象拓樸結(jié)構(gòu)的共同特性,通過對(duì)對(duì)象實(shí)體尺寸的局部驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)相似對(duì)象的柔性設(shè)計(jì),既保持了產(chǎn)品的拓樸結(jié)構(gòu)關(guān)系不變,又保證了用戶可以隨時(shí)改變控制參數(shù)來滿足自己的設(shè)計(jì)建模要求.2.3.2基于向心透平的視景建模技術(shù)在虛擬產(chǎn)品的開發(fā)過程中,為了給用戶創(chuàng)建一個(gè)身臨其境和沉浸其中的環(huán)境,必須根據(jù)需要建立逼真的視景環(huán)境.向心透平在虛擬環(huán)境中的視景建模技術(shù),包括將參數(shù)化建模中的實(shí)體轉(zhuǎn)化為虛擬環(huán)境中的視景模型,向心透平視景模型在三維場(chǎng)景中的引入,定義觀察視點(diǎn)、操縱方式、光照環(huán)境、運(yùn)動(dòng)對(duì)象以及對(duì)象之間的交互關(guān)系等.3空氣壓縮性系數(shù)向心透平設(shè)計(jì)的已知參數(shù)為:空氣流量1.501kg/s,透平初壓0.9415MPa,初溫174.2K,出口背壓0.145MPa,空氣壓縮性系數(shù)0.964,進(jìn)口氣流密度19.515kg/m3.3.1影響向心透平性能的參數(shù)設(shè)計(jì)表1為向心透平主要結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算結(jié)果.輔助計(jì)算部分得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過數(shù)據(jù)的特征提取和轉(zhuǎn)化將成為參數(shù)化建模階段的數(shù)據(jù)源,用來驅(qū)動(dòng)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)體建模.經(jīng)向心透平熱力計(jì)算,確定主要結(jié)構(gòu)尺寸后還要對(duì)影響向心透平性能的參數(shù)進(jìn)行研究.圖3為設(shè)計(jì)時(shí)選用不同進(jìn)口角α1、靜葉速度系數(shù)?和動(dòng)葉速度系數(shù)ψ時(shí)對(duì)向心透平功率、流量和效率產(chǎn)生的影響.由圖中可知,若設(shè)計(jì)時(shí)?和ψ取得過小,實(shí)際不能達(dá)到時(shí),則功率減小,流量、效率下降;若?和ψ取得過大,雖向心透平流量增加,但此時(shí)壓氣機(jī)排氣無法達(dá)到設(shè)計(jì)壓力,因此透平進(jìn)口總壓下降、做功減少,燃?xì)廨啓C(jī)總效率不會(huì)提高,甚至可能因壓氣機(jī)耗功增加而下降.流量偏小還可能使壓氣機(jī)進(jìn)入喘振.因此,設(shè)計(jì)后應(yīng)正確估價(jià)可能產(chǎn)生的偏差及由此帶來的影響.3.2葉輪有限元模型利用上述有限元計(jì)算模型采用有限元分析軟件NASTRAN分析,得到圖4的葉輪有限元網(wǎng)格劃分模型和位移云圖.算例中的葉輪直徑120mm,葉片總數(shù)14,工作轉(zhuǎn)速為65000r/min.采用NASTRAN軟件中的TET4(四面體4節(jié)點(diǎn))單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)32182,單元113305.葉輪材料采用鈦鋁合金,楊氏模量為9.6×104MPa,泊松比為0.36,材料密度為4620kg/m3.邊界條件設(shè)定為約束葉輪摩擦環(huán)面沿軸心位移和葉輪螺孔內(nèi)徑向位移.載荷設(shè)定為葉輪摩擦環(huán)面的壓力和螺紋側(cè)面的載荷.由位移云圖可得,葉輪的位移分布呈近似同心圓狀,由內(nèi)向外逐漸變大.3.3求逆市方法,求逆市裝配序列,求逆市方法,進(jìn)行可裝配性檢查圖5為向心透平的三維實(shí)體模型和虛擬裝配過程.基于向心透平零部件的幾何配合約束和工程語義信息,在通過干涉檢查的前提下,自動(dòng)推理與人機(jī)交互相結(jié)合,求解可行拆卸方向和路徑,獲得合理可行的拆卸順序和初始路徑,通過求逆得到可行裝配序列,即裝配順序和路徑.然后,在計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程,直觀展示產(chǎn)品的可裝配性,這種可視化方式確保了裝配序列的可實(shí)現(xiàn)性,為向心透平裝配工藝、裝配設(shè)備和裝配工步的規(guī)劃提供了準(zhǔn)確可靠的信息.4向心