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造船門式起重機報價系統研究及開發

  • 發布日期:2017-04-02
  • 責任編輯:lgg
  • 論文字數:38547
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第一章 緒 論
 
1.1 課題研究背景
固體顆粒沖蝕(Solid Particle Erosion—SPE)是指固體以松散的小顆粒(直徑小于 1000um)按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的一種材料損耗現象或過程現象。普遍存在于電力、機械、鋼鐵、航空、化工等行業,已成為材料破壞或設備失效的重要原因之一[1-3]。石油化工廠煙氣余熱余壓能量回收透平發電設備中,煙氣中攜帶的催化劑粉粒會對渦輪葉片造成嚴重沖蝕,大幅縮短設備的使用壽命。高爐煤氣余壓透平發電裝置,氣固兩相流體在進入透平之前會進行多次氣固分離處理,仍會攜帶一定量的微小顆粒物。在這些設備中,微小固體顆粒持續對葉片的沖蝕磨損,會損壞葉片表面,降低葉片的氣動性能,減少能源回收系統產生的經濟效益。沖蝕磨損還會惡化透平葉片的振動特性,振動特性持續惡化將危及機組的安全性。相關研究指出大型汽輪機流動死角區域通常會存在金屬氧化物顆粒堆積的現象。這些金屬氧化物會隨蒸汽流入汽輪機,對設備長期沖蝕作用會使葉片、噴嘴的型線遭到破壞,表面粗糙度和間隙增大,使汽輪機能量轉化效率顯著降低。氧化物顆粒沖蝕損傷問題無法避免,嚴重影響汽輪發電機組安全經濟運行。一些文獻對大型汽輪機組因沖蝕損傷所增加的初始投資給出了定量判斷:對一般情況下的固體顆粒沖蝕,每千瓦投資需增加 1 美元;對嚴重的固體顆粒沖蝕,每千瓦投資要增加 3.40 美元[4]。
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1.2 課題研究意義
在能源、冶金、石油、化工等工業領域中,工業過程中產生的含塵高溫高壓氣體具有能量再利用的巨大潛能,并在能量轉化過程中,有效地抑制 NOX 的排放。然而高溫氣固兩相流體在高速旋轉葉輪機械中對葉片的沖蝕,不僅會破壞葉片型線導致其氣動性能下降,更是嚴重威脅了葉片的強度安全,引發危險。國內外基于透平氣固兩相流的葉片沖蝕研究取得了諸多進展,但是這些成果大多是基于數值模擬,數值模擬中所作的假定和簡化往往跟實際情況相比存在一些誤差。研究多重條件下葉片材質的抗沖蝕特性,有利于揭示不同試件抗沖蝕特性的差異,是隨著材料科學和表面工藝發展所需要持續再完善的應用基礎研究工作,其研究成果對優選葉片材質和表面強化工藝提供科學依據,提高透平機能量轉化效率,保障透平機安全運行具有非常現實的意義。目前該領域研究還有一定的局限性,尤其是熱態條件下的實驗平臺還不能完全滿足揭示葉片沖蝕本質的要求,因此優化完善熱態沖蝕風洞設計是開展葉片沖蝕研究的基礎性保障。
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第二章 熱態沖蝕實驗平臺機械系統設計
 
2.1 實驗系統總體設計
本系統采用空氣電加熱裝置,負壓引風裝置克服了上述兩種臥式氣流噴砂式實驗系統在固體濃度和溫度濃度波動較大的缺陷。相比于其它實驗系統,負壓保證了顆粒下落的均勻,氣固兩相流流體混合的均勻。即使管道中因調節機構而存在個別縫隙,熱流體也不易泄露到環境中,熱態實驗時人員的安全性得到保障;電加熱方式則保證升溫迅速、溫度場穩定、能源清潔對環境無污染。負壓系統的最大好處是確保微米級的顆粒在穩定段前能順利進入風洞,并與氣流充分均勻地混合,達到要求工況下含塵氣流的效果。其較好地解決了在正壓送風系統下,顆粒由于風洞內氣壓大于外界大氣壓而難以進入風洞的缺陷;同時,管道內的空氣被強制排出到外界,管道內的空氣為主動排風,循環更加高效;傳統的正壓系統實驗用顆粒由于風道內的強大壓強大于外界大氣,粒子不能很好的進入流道內的流體之中,并且空氣變為被動排風,不利于管道內的空氣循環。根據煙氣輪機葉片實際工況要求,采用負壓氣流驅動,電加熱器對氣流加熱,高溫負壓顆粒添加,煙氣冷卻,以及數字監控,建成了具有通用性和寬參數范圍的中高溫、低馬赫數(M<0.3)熱態負壓風洞實驗系統。系統的整體框架如圖 2-1 所示,系統設計為負壓系統,由 10 引風機驅動流體定向流動。外界空氣經 1 電加熱器加熱后在 2 星形加料閥處混入微小顆粒物形成氣固二相流,氣固二相流在 4 收縮噴嘴處進行加速,加速后的氣固二相流經 5 直段穩定,穩定的氣固二相流進入 6 實驗段沖蝕試件,沖蝕后的氣固兩相流經 7 熱交換機冷卻后在 9 袋式除塵器進行氣固分離,形成符合排放要求的氣體最后由 10 引風機排出。煙氣輪機工作的高溫煙氣溫度約為 650℃,實驗系統最高溫度可達 750℃。為了減少系統煙氣熱量損失和確保實驗安全,在管道外部包裹 200-300mm 厚度的硅酸鋁隔熱材料,當管道內部煙氣溫度達到 750℃時,經測量外包最高溫度不超過 45℃。
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2.2 氣力輸送系統設計
氣力輸送系統是在管道內利用氣體作為承載介質,將物料從一處輸送到另一處的輸送系統。稀相輸送通常采用較高的氣流速度和較低的固氣比,輸送介質采用空氣,動力一般為羅茨風機提供,物料在管道中呈懸浮狀態。本實驗風洞系統采用氣力輸送進行實驗用顆粒傳輸,其特點為:在節能的同時,輸送效率高;因整個輸送過程是完全封閉,所以氣候環境條件作用于輸送系統的影響較小;結構緊湊、占地面積小、布置靈活,便于集中控制、自動化程度高。采用引風機作為系統的動力源,為沖蝕風洞系統提供負壓環境,驅動空氣從加熱器進氣口進入管道,并以一定的速度在管道中流動,引風電機通過變頻器實現變頻調速,可調節電機的輸入頻率,改變電機轉速控制流體流速,使之滿足不同沖蝕條件下的實驗。羅茨風機性能參數:功率 7.5 k W,額定轉速 1 650 r /min,極限壓力 49 k Pa,進口流量 4 m3 /min。為 了 保 證 風 洞 系 統 能 夠 耐 高 溫 抗 氧 化 , 風 洞 管 道 選 用 316 不 銹 鋼18Cr-12Ni-2.5Mo 因添加 Mo,故其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強度特別好,可在苛酷的條件下使用;加工硬化性優(無磁性)。空氣電加熱器如圖 2-2、2-3 所示,作為系統的熱源,為達到所需要的高溫氣體,并且滿足空氣干燥無水分、不燃燒、不爆炸、安全的設計要求,空氣電加熱器工作溫度可達 750℃,設計壓力為 1Mpa 的電阻合金絲制空氣電加熱器,其效率可達 90%以上,且升溫速率快,達 10℃/min,溫度調節方便,穩定性好。電加熱器容器壁材料選用 2520 材質,奧氏體鉻鎳不銹鋼,具有很好的抗氧化性、耐腐蝕性,最高工作溫度1200 ℃,連續使用溫度 1150 ℃。
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第三章 實驗臺數據采集監控硬件系統........22
3.1 監控硬件系統總體設計...... 22
3.2 氣流速度檢測與調控.......... 25
3.3 顆粒沖擊速度的計算......... 26
3.4 沖蝕角度切換與檢測.......... 26
3.5 高溫氣體壓力檢測.............. 27
3.6 本章小結........ 28
第四章 熱態沖蝕實驗系統上位機軟件設計...........30
4.1 組態軟件介紹.......... 30
4.2 建立組態工程........... 31
4.3 溫度與壓力測量數據的數字濾波........... 35
4.4 熱態沖蝕實驗系統性能測試......... 38
4.5 沖蝕系統操作使用流程...... 42
4.6 本章小結........ 45
第五章 透平葉片材料抗沖蝕性能實驗研究...........46
5.1 實驗原理........ 46
5.2 材料選取及式樣制備.......... 46
5.3 實驗條件和方法....... 47
5.4 實驗數據處理和結果分析............. 48
5.5 本章小結....... 55
 
第五章 透平葉片材料抗沖蝕性能實驗研究
 
從 20 世紀 90 年代至今,國內外基于透平氣固兩相流動的葉片沖蝕研究取得了諸多進展[37-39],這些成果更多的是基于數值模擬,數值模擬中所作的假定和簡化往往跟實際情況相比存在一些誤差。國內學者在開展數值模擬的同時,也建立一些實驗平臺如西安交通大學的劉觀偉等建立了高溫高速沖蝕實驗系統,進行了諸多實驗研究并取得了相應的成果 [41-47],但是現階段沖蝕實驗研究范圍依然比較狹窄,尤其關于透平葉片材料針對不同葉片表面處理工藝下抗沖蝕特性的系統性實驗研究還十分缺乏。本文在上述自行研制的實驗系統上,針對于常用透平葉片材料 1Cr12Mo 開展了抗沖蝕特性研究。
 
5.1 實驗原理
首先,取一洗凈吹干后的試件進行實驗前稱重,記下質量0M 。為了消除環境因素和人為因素對稱重的誤差影響,每次稱重反復進行三次測量并求平均值。稱重后將試件放入實驗段中,調整角度卡盤使試件沖蝕面背對噴口,這樣做的目的是防止在加熱過程及速度穩定過程中管道中的殘余顆粒沖蝕試件而造成實驗誤差。其次,調節電加熱器將實驗段溫度加熱到設定溫度并穩定,同時調節風機頻率使氣流速度達到設定值并穩定。待溫度和速度均穩定后調節角度卡盤至相應角度,開啟星型加料閥開始對葉片進行沖蝕,并記下沖蝕時間。每次實驗沖蝕時間持續 4 分鐘,沖蝕顆粒的質量為 40g,為了保證顆粒能夠均勻下落,實驗前對顆粒進行烘干。最后,沖蝕結束后關閉引風機和電加熱器,取出沖蝕后的試件,置于常溫環境自然冷卻,冷卻后置于超聲波清洗儀中清洗 3 分鐘,清洗完吹干后進行稱重,記下質量1M 。每塊試件重復上述操作進行 6 次實驗。
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結論
 
本文針對目前國內外氣流噴砂式沖蝕風洞實驗平臺,尤其是熱態風洞平臺存在氣固混合不易均勻且氣流不穩定,實驗溫度波動大以及不易精確調控的現狀,以 PC 機為核心設計了一套熱態負壓沖蝕實驗平臺。經測試最高溫度可達 750℃,氣固兩相流顆粒濃度可調,沖蝕速度可調,可 0°―90°任意沖角調節。系統操作簡單,實驗效率高,溫度和氣流速度穩定,落沙均勻,蓄熱性能良好,安全性高,滿足設計要求。關于熱態風洞沖蝕實驗系統的研制涉及到熱態負壓風洞機械系統的構建、基于傳感器數據采集和信號傳輸的電子監控系統的搭建以及基于 MCGS 組態軟件的上位機監控軟件的開發。主要研究成果與結論如下:
(1)通過查閱大量文獻和汲取前人設計經驗的基礎上,采用負壓的氣流驅動方式、空氣電加熱器對氣流進行加熱,完成了風洞硬件系統設計和系統器件的選型。
(2)根據無限空間射流理論和模型,通過相關計算和分析確定了實驗系統最佳沖蝕距離和對應的沖蝕面積。
(3)選用 DIGATTO T 串口服務器和 RS-485 串口總線構建了用于傳感器數據采集和信號傳輸的硬件系統,該硬件系統穩定且響應速度快。
(4)基于空氣動力學基本原理,應用流體連續性方程和理想氣體狀態方程,根據測點的氣體流速計算噴口氣流速度,并據此完成了顆粒沖擊速度的估算。
(5)運用 MCGS 組態軟件完成了上位機組態軟件設計,通過使用本文設計的監控軟件,能顯著提升實驗效率,并能獲得豐富的實驗過程數據。
(6)通過實驗研究 1Cr12Mo 在 200℃、300℃、400℃情況下的抗沖蝕特性,發現三個溫度條件下 1Cr12Mo 材料累積失重與累積沖蝕量均具有高度的線性關系,三個溫度條件下最大沖蝕率均出現在 20-25°沖蝕角之間,1Cr12Mo 基材在 300℃溫度情況下失重最小,表明該種材料更適合運用于工作環境在 300℃上下的透平葉片。
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參考文獻(略)
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