高壓LNG液力透平熱膨脹變形分析

1、 高壓lng液力透平熱膨脹變形分析 摘要：應(yīng)用大型有限元仿真軟件ansys，對lng液力透平零件進(jìn)行溫度場和熱膨脹分析。通過對外筒、內(nèi)膽、殼體口環(huán)、葉輪口環(huán)等零件低溫下熱膨脹性能分析，確定所設(shè)計(jì)lng液力透平在低溫情況下熱膨脹性能能夠滿足要求，保證該透平在低溫情況下安全穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞： lng液力透平 低溫降壓裝置 ansys有限元軟件分析 溫度場 熱膨脹變形1引言目前，液化石油天然氣接收站lng降壓裝置中，多用j-t閥來降壓，由于lng介質(zhì)低溫、易爆、易燃、易汽化，應(yīng)用j-t閥降壓時(shí)，會造成大量介質(zhì)汽化，經(jīng)濟(jì)性較低。采用帶有真空保冷結(jié)構(gòu)的lng液力透平可代替j-t閥，應(yīng)用高壓的lng介質(zhì)帶

2、動(dòng)多級減壓葉輪，為lng介質(zhì)降壓，避免多級減壓孔板節(jié)流帶來的高熱量，造成介質(zhì)汽化，產(chǎn)生浪費(fèi)。于此同時(shí)透平發(fā)出電能，采用四象限變頻回收并入電網(wǎng)。未來lng液力透平將逐漸代替j-t閥，降低液化石油天然氣接收站由于降壓而產(chǎn)生的浪費(fèi)，提高產(chǎn)能。因此，研究開發(fā)lng液力透平技術(shù)非常必要，而lng液力透平低溫下的性能穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，采用ansys軟件進(jìn)行l(wèi)ng液力透平零件材料低溫性能分析，進(jìn)行材料優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)可行性，增大lng液力透平設(shè)備安全可靠性。2、分析參數(shù)2.1 泵的基本參數(shù)透平計(jì)算的基本參數(shù)如表2-1所示：表2-1. 計(jì)算參數(shù)流量q( m3/h)揚(yáng)程h(m)轉(zhuǎn)速n(rpm)介質(zhì)溫度()介質(zhì)比

3、重(kg/m3)358473000-161.52445.72.2 材料物理特性查詢asme鍋爐及壓力容器規(guī)范和參考api610-11th得到-161.52溫度下其材料特性如表2-2所示：表2-2. 材料物理特性表部件材料彈性模量e(gpa)泊松比密度(kg/m3)屈服強(qiáng)度sy(mpa)抗拉強(qiáng)度su(mpa)基本許用應(yīng)力s (mpa)葉輪zg07cr19ni92010.38030205485138吸入段、電機(jī)殼體、導(dǎo)流殼zg07cr19ni92010.38030205485138中段、出口段、軸承架3042010.38030205485138注：假設(shè)材質(zhì)是連續(xù)的、均勻的、各向同性的。在載荷作用下

4、，部件發(fā)生小變形，處于線彈性范圍。2.3 載荷分析透平機(jī)組承受如下載荷：1. 自重載荷：透平所在地的重力加速度取值g=9.8066m/s2；2. 溫度載荷：介質(zhì)溫度-161.52，將溫度載荷導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模塊，計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形位移；2.4 邊界條件根據(jù)透平機(jī)組的安裝連接支撐情況，在外筒底部底面處施加全位移約束。3. 力學(xué)模型3.1 幾何模型根據(jù)lng液力透平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，建立透平整機(jī)三維幾何模型，用于有限元分析。3.2 有限元模型本次分析使用大型通用有限元仿真軟件ansys。本次分析采用實(shí)體單元20節(jié)點(diǎn)六面體單元186號和10節(jié)點(diǎn)四面體單元187號組合，整機(jī)網(wǎng)格單元數(shù)241295，節(jié)點(diǎn)數(shù)86316

5、3。4. 溫度場與熱膨脹變形分析4.1 溫度場仿真計(jì)算lng液力透平整機(jī)溫度場仿真計(jì)算結(jié)果見表4-1；各路徑相對位置與坐標(biāo)見表4-2；整機(jī)溫度分布云圖見圖4-14-2表4-1 整機(jī)溫度場計(jì)算結(jié)果部件路徑溫度()頂蓋path 9-161.52 c -161.27 cpath10-161.52 c-161.52 cpath1116.784 c16.788 cpath12-161.52 c -161.52 cpath13-161.52 c -161.21 c c外筒path23-80.604 c -80.326 cpath2420.999 c 21 cpath2521.957 c 21.957 cp

6、ath2621.998 c 21.998 cpath2721.989 c 21.989 cpath28-161.52 c -161.16 cpath29-161.52 c -161.25 cpath30-161.52 c -161.21 c表4-2. 路徑與位置及對應(yīng)的參考圖路徑序號位置參考圖path 9頂蓋位置1圖4-1 a-1 to a-2path10頂蓋位置2圖4-1 b-1 to b-2path11頂蓋位置3圖4-1 c-1 to c-2path12頂蓋位置4圖4-1 d-1 to d-2path13頂蓋位置5圖4-1 e-1 to e-2path23外筒位置1圖4-2 a-1 to

7、a-2path24外筒位置2圖4-2 b-1 to b-2path25外筒位置3圖4-2 c-1 to c-2path26外筒位置4圖4-2 d-1 to d-2path27外筒位置5圖4-2 e-1 to e-2path28外筒位置6圖4-2 f-1 to f-2path29外筒位置7圖4-2 g-1 to g-2path30外筒位置8圖4-2 h-1 to h-2path31電機(jī)殼體圖4-2i-1 to i-2path32電機(jī)端蓋圖4-2 j-1 to j-24.2 熱膨脹變形仿真分析使用有限元分析軟件對模型進(jìn)行溫度仿真計(jì)算，得到lng液力透平的溫度場分布，應(yīng)用應(yīng)力分析模塊，通過仿真計(jì)算得

8、到結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形，整機(jī)熱膨脹變形位移分布云圖見圖4-2。為確定葉輪口環(huán)與泵體口環(huán)之間間隙的變化趨勢，本分析報(bào)告在第五級葉輪前口環(huán)與中段口環(huán)上端面逆時(shí)針方向取8個(gè)點(diǎn)對口環(huán)間隙的變化量進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表4-2.表4-2 第五級葉輪口環(huán)與中段口環(huán)間隙變化趨勢序號中段口環(huán)位移變形(mm)葉輪口環(huán)位移變形(mm)原始口環(huán)間隙(mm)變形后口環(huán)間隙(mm)1-0.093167-0.0564770.20.163312-0.09907-0.0658110.20.1667413-0.15425-0.123940.20.169694-0.22637-0.196560.20.170195-0.2732-0.2

9、41220.20.168026-0.26729-0.231740.20.164457-0.2121-0.174050.20.161958-0.13999-0.101320.20.16133圖4-1 path9path13 圖4-2 path23path325 結(jié)論(1) lng液力透平整機(jī)在自重與溫度載荷共同作用下轉(zhuǎn)子與泵體之間能保證一定的安全距離，保證轉(zhuǎn)子與泵體之間不發(fā)生摩擦；(2) 根據(jù)溫度場仿真分析可知，lng液力透平整機(jī)溫度場分布情況合理；(3) 將溫度場分析結(jié)果導(dǎo)入強(qiáng)度分析模塊進(jìn)行計(jì)算，lng液力透平承壓殼體應(yīng)力強(qiáng)度，連接螺栓應(yīng)力強(qiáng)度以及密封力均滿足要求。綜上所述，lng液力透平整機(jī)熱膨脹變形滿足設(shè)計(jì)和運(yùn)行要求。6 結(jié)束語在液化石油天然氣接收站，設(shè)備裝置由于介質(zhì)溫度變化較大，造成設(shè)備變形，介質(zhì)泄漏現(xiàn)象。lng液力透平內(nèi)部為高壓低溫介質(zhì)，高壓介質(zhì)溫變對設(shè)備影響更大。采用ansys軟件對lng液力透平零件材料、透平結(jié)構(gòu)進(jìn)行低溫性能分析，能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)部分材料及結(jié)構(gòu)問題，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，提高lng液力透平低溫下運(yùn)行的可行性。理論分析與制造廠內(nèi)低溫試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，保證lng液力透平在低溫下