超临界二氧化碳离心压缩机应力数值分析-赵航

高等学校工程热物理第二十一届全国学术会议编号：201531超临界二氧化碳离心压缩机应力数值分析1赵航邓清华王典丰镇平（西安交通大学能源与动力工程学院叶轮机械研究所，陕西西安710049）（联系电话：[phone]，E－mail：[e-mail],[e-mail]）摘要：超临界二氧化碳在近临界点具有大热容量和高密度的特性。与传统压缩机工质相比，它具有单位工质做功能力强，压缩过程工质温升相对较小等优势，可以降低压缩机耗功，减小压缩机尺寸，提高系统热效率。同时，微超临界二氧化碳工质的特性对离心压缩机叶轮强度应力等研究带来了一些新问题。本文结合离心压缩机的设计方案，应用数值模拟方法重点研究了超临界二氧化碳离心压缩机叶轮应力数值变化的特点，揭示了流体力对叶轮应力和形变的大小及分布的影响。之后研究了不同加工材料对压缩机叶轮应力分布的影响，为超临界二氧化碳离心压缩机叶轮设计选材提供一定的工程参考。关键词：超临界二氧化碳；离心压缩机；应力分析；材料选用1引言当今世界，能源竞争加剧，安全问题日益突出，能源的高效洁净利用和可持续发展成为世界各国关注的重要问题。叶轮机械作为当代能源动力系统中最主要的一种能源转换利用装置，在国民经济和国防建设中发挥着至关重要的作用。二氧化碳具有良好的热稳定性和物理性质，它还具有无毒、储量丰富、天然存在、价格便宜等优势。特别是以超临界二氧化碳作为工质的动力系统不需要很高的循环最高温度就可达到满意的循环热效率。在近临界点（7.377MPa,304.128K），超临界二氧化碳（SCO2）具有大热容量和高密度等特性，可以降低压缩机耗功，从而提高系统热效率；同时透平进口温度相对较低，减少了换热、冷却及膨胀相变等问题的考虑。目前，SCO2动力系统及其关键技术的研究已经成为叶轮机械相关领域一个新的研究热点。美国桑迪亚国家实验室[1-2]、荷兰代尔夫特理工大学[3-6]、美国麻省理工学院[7]、韩国先进技术研究所[8]、西安交通大学叶轮机械研究所[9]等国内外一些学者和研究机构主要对SCO2离心压缩机进行了综合设计方法、数值分析、变工况特性等方面的研究。在离心压缩机中，工作叶轮属于核心部件，它的稳定运行对整个压缩机的性能起到了至关重要的作用。叶轮在工作过程中，不仅承受着离心力，流体力作用，还会受到介质腐蚀、粉尘磨损等多种因素的影响。这种综合作用对压缩机叶轮的材料选用、强度形变等相关性能提出了很高的要求。针对SCO2压缩机综合设计，在气动设计、数值计算、性能分析之后，基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（优先发展领域）（No.20130201130005）A利用有限元方法对叶轮展开强度变形校核、优化等工作，是十分必要的。近年来，SCO2离心压缩机的气动性能得到了国内外研究人员及设计者们的广泛关注，但是从国内外公开文献来看，目前很少有关于SCO2离心压缩机强度应力分析，以及加工材料选取等方面的相关研究。而针对微超临界CO2的物性特点，压缩机叶轮的应力分析研究具有非常重要的意义。本文使用ANSYS数值分析软件，对SCO2离心压缩机进行数值计算及应力分析。在气动分析的基础上，针对SCO2工质所特有的物性特点，主要研究了流体力对压缩机叶轮应力大小及分布的影响。对比分析了同时考虑流体力和离心力，以及只考虑离心力的情况下，SCO2离心压缩机叶轮应力数值变化及分布特点。之后研究了不同加工材料对压缩机叶轮应力分布的影响，为SCO2离心压缩机叶轮的综合设计，包括强度分析、选材等方面研究提供了一定的理论基础和工程参考。2数值模型与方法本文的研究对象为西安交通大学叶轮机械研究所设计的SCO2离心压缩机[9]。压缩机进口工质CO2处于微超临界状态，出口工质处于超临界状态。设计得到的压缩机包括工作轮、无叶扩压器和叶片扩压器三部分，其中工作轮由9个主叶片和9个分流叶片组成，叶片扩压器由15个翼型叶片组成，其设计参数和尺寸结构如表1和图1所示。表1SCO2离心压缩机设计参数进口总温/K308.5进口总压/MPa7.69质量流量/kg·s-1250设计压比1.9设计转速/rpm10,000图1SCO2离心压缩机尺寸结构在SCO2离心压缩机模型建立的基础上，使用ANSYSWorkbench对其进行网格划分，材料选取、强度及应力分析等研究工作。其中计算网格主要通过定义elementsizes进行调整，对计算网格进行加密处理，都会使得计算结果的精度提高，但是网格加密都一定程度时，其对计算结果的影响基本不变，最终选取如图2所示SCO2离心压缩机计算网格，网格节点数为405207，在图中对主叶片前缘根部倒角位置的网格进行了放大展示。图2SCO2离心压缩机计算网格示意图在对SCO2离心压缩机进行应力研究之前，首先使用NUMECA软件对其进行了数值分析，主要研究了压缩机的气动性能及流动特性。之后，将气动计算得到的流体力加载到叶轮表面，以此来研究流体力对压缩机强度大小以及应力分布的作用。3结果分析3.1工质对SCO2离心压缩机应力数值及分布的影响工质CO2在临界点（7.377MPa,304.128K）时，密度为464kg/m3。针对本文所研究的SCO2离心压缩机，压缩机入口工质处于微超临界状态，CO2具有很大的密度。这里初步选取钛合金作为叶轮的的制造材料。钛合金在ANSYS材料库中的主要性能如下：抗拉、抗压屈服强度都为930MPa，材料密度为4.62×103kg/m3。在设计工况下，当只考虑叶轮离心力作用时，其应力分布及变形分布如图3所示。图3SCO2离心压缩机应力及变形分布（只考虑离心力作用）在设计工况下，当同时考虑工质流体力和叶轮离心力作用时，其应力分布及变形分布分别如图4和图5所示。图4SCO2离心压缩机应力分布（同时考虑流体力和离心力作用）图5SCO2离心压缩机变形分布（同时考虑流体力和离心力作用）通过计算结果可以看出：工质SCO2具有高密度的特点，对压缩机叶轮的应力、形变大小及分布具有显著的影响。当只考虑叶轮离心力作用时，叶轮所受的最大应力为161.49MPa,最大形变为0.09mm。而同时考虑流体力和离心力时，叶轮所受的最大应力和形变值都明显增大，分别为315.38MPa和0.49mm，但其值都远小于材料的许用应力和许用变形量。由图4所示的SCO2离心压缩机应力分布可知，叶轮所受的最大应力位置具有一定的特点，位于分流叶片前缘根部，可能具有以下原因：1）与叶轮其他位置相比，主叶片和分流叶片前缘位置的叶片厚度较薄。而与主叶片前缘相比，分流叶片前缘离转轴的距离更远，因此受到的离心力作用更大。2）压缩机对工质做功，在分流叶片前缘附近，工质具有较大的压力和速度。而在分流叶片前缘位置，存在一个高压驻点，使得此处受到很大的流体力作用。3.2SCO2离心压缩机制造材料的选择研究关于SCO2离心压缩机制造材料的选取，需要同时考虑到材料强度，密度，抗腐蚀，易加工性，稳定性等因素。与传统工质压缩机相比，例如空气压缩机，在SCO2离心压缩机工作过程中，流体力对压缩机的应力、变形大小及分析起到了很显著的影响。而且CO2在临界点附近具有大比热容这样一个特性，因此工质在整个压缩过程中，温度增幅较少。考虑到SCO2离心压缩机的特性，这里初步选取钛合金和铝合金作为加工材料，以此来研究制造材料对压缩机叶轮应力分布的影响。其中，钛合金具有密度低、比强度高、抗腐蚀性能好、工艺性能好等优点。铝合金具有密度低，强度较高，塑性好，抗蚀性强，成本相对低廉，经济性好等优势。在ANSYS材料库中选取的铝合金，其主要性能如下：抗拉、抗压屈服强度都为280MPa，材料密度为2.77×103kg/m3。在设计工况下，同时考虑工质流体力和叶轮离心力作用，选用铝合金作为SCO2离心压缩机制造材料时，其应力分布及变形分布分别如图6所示。图6SCO2离心压缩机应力、变形分布(铝合金)对比图4，5和图6可知，同时考虑流体力和离心力，SCO2离心压缩机选用钛合金和铝合金作为加工材料时，其应力和变形分布及变化趋势基本相同，铝合金压缩机所受最大应力位置同样位于分流叶片前缘根部，最大变形位置处于压缩机叶轮外缘。由于所选材料性质不同，与钛合金压缩机相比，铝合金压缩机叶轮所受的最大应力稍高，其值为329.58MPa,而最大形变量约为钛合金压缩机的1.47倍，其值为0.72mm。但是，铝合金的抗拉、抗压屈服强度都为280MPa，所以这种材料并不适用于SCO2离心压缩机的制造。由于SCO2离心压缩机的工质具有大密度这样一个特性，所以叶轮受到的流体力较大。因此，在选取压缩机制造材料时，需要着重考虑材料的强度因素，钛合金就是一种很好的备选材料。4结论本文使用商用软件ANSYS对SCO2离心压缩机进行了应力数值分析，并在气动分析的基础上引入流体力。深入研究了流体力对压缩机叶轮应力变形数值和分布的影响，并对比研究了SCO2离心压缩机制造材料的选择，取得以下主要结论：1）在同时考虑流体力和离心力，以及只考虑离心力的情况下，SCO2离心压缩机叶轮应力数值变化及分布特点具有很大不同。微超临界CO2工质，具有高密度的特点，流体力对叶轮的应力大小及分布具有显著的影响。2）叶轮所受的最大应力位置处于分流叶片前缘根部，可能由于此处叶片较薄，而且距离转轴较远，受到的离心力较大。同时，在分流叶片前缘附近，工质具有较大的压力和速度，并在此处存在一个高压驻点，因此受到很大的流体力作用。3）SCO2离心压缩机叶轮在工作过程中，受到的流体力较大。因此，在选取压缩机制造对材料时，需要着重考虑材料的强度因素。铝合金具有很好的经济性，但是抗拉、抗压屈服强度较低，不适于SCO2离心压缩机叶轮的制造，相比之下，钛合金就是一种很好的备选材料。参考文献1WrightS.A,RadelR.F,VernonM.E,RochauG.E,PickardP.S.OperationandAnalysisofaSupercriticalCO2BraytonCycle[R].SandiaReport2010-0171,2010.2WrightS.A,PickardP.S,RadelR.F,VernonM.E,FullerR.SupercriticalCO2BraytonCyclePowerGenerationDevelopmentProgramandInitialTestResults[C].ASMEPaperGT2009-81081,2009.3Pecnik,R.,Colonna,P.AccurateCFDAnalysisofaRadialCompressorOperatingwithSupercriticalCO2[C].SupercriticalCO2PowerCycleSymposium,2011,Boulder,Colorado,USA.4PecnikR,RinaldiE,ColonnaP.ComputationalFluidDynamicsofaRadialCompressorOperatingWithSupercriticalCO2[J].ASMEJournalofEngineeringforGasTurbinesandPower,2012,134(12):122301/1-8.5PecnikR,RinaldiE,ColonnaP.SteadyStateCFDInvestigationofaRadialCompressorOperatingwithSupercriticalCO2[C].ASMEPaperGT2013-94580,2013.6Rinaldi,E.,Pecnik,R.,Colonna,P.NumericalComputationofthePerformanceMapofaSupercriticalCO2RadialCompressorbyMeansofThree-DimensionalCFDSimulations[C].ASMEPaperGT2014-26966，2014.7Baltad