某型離心壓縮機(jī)葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

□ 田曉平 □ 韓 濤 □ 田 琳

1.中國飛行試驗(yàn)研究院 西安 710089

2.中國石油西氣東輸管道公司 銀川 751500

由于離心葉輪具有單級(jí)壓比高、軸向長度小、工藝性好和設(shè)計(jì)制造簡單等特性，而被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、能源、石油化工、冶金、天然氣輸送和制冷等領(lǐng)域，它在國民經(jīng)濟(jì)各部門中占有重要的地位。但是，壓縮機(jī)葉輪的疲勞破壞事故在近年來頻頻發(fā)生［1-4］，因此，研制高性能的離心壓縮機(jī)，將對(duì)節(jié)約能源具有重大意義。

葉輪是離心壓縮機(jī)的核心部件，它對(duì)氣體作功，將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的能量，其性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)起著決定性影響。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，某型號(hào)離心壓縮機(jī)葉輪有不同程度的裂紋（圖1），觀察發(fā)現(xiàn)斷裂部位位于葉片與后盤的焊接點(diǎn)處，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂原因是此焊接點(diǎn)處機(jī)械強(qiáng)度沒能達(dá)到設(shè)計(jì)要求而發(fā)生疲勞斷裂，因此，需要對(duì)該型號(hào)的離心葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)用戶要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的葉輪，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，使其效率提高不少于3%。

▲圖1 葉輪裂紋

1 建立模型

根據(jù)葉輪的外形建立有限元模型，如圖2所示。

1.1 靜力學(xué)計(jì)算

對(duì)葉輪的有限元模型進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，當(dāng)葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應(yīng)力分布如圖3所示。

▲圖2 葉輪原型A模型

▲圖3 原型A葉片的等效應(yīng)力分布圖

從圖中可以看出，葉片后緣的懸臂處出現(xiàn)非常明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也是直接導(dǎo)致該葉輪在此處產(chǎn)生裂紋的原因。

1.2 長壽命疲勞計(jì)算

在靜力學(xué)計(jì)算應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上，對(duì)葉輪進(jìn)行長壽命疲勞計(jì)算，由圖4可以看出，在葉片伸出部分與后盤焊接點(diǎn)附近，循環(huán)次數(shù)為3.79×106，低于疲勞極限對(duì)應(yīng)的107。

2 分析葉輪斷裂原因

▲圖6 改型B葉片的等效應(yīng)力分布圖

▲圖5 葉輪改型B方案

▲圖7 葉輪改型B的疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)）

▲圖8 葉輪改型C方案

由以上有限元模型的靜力學(xué)計(jì)算和長壽命疲勞預(yù)估計(jì)算，可以看出葉片斷裂的原因是葉輪的結(jié)構(gòu)不合理。葉片伸出部分與后盤焊接點(diǎn)附近最大等效應(yīng)力為131 MPa。雖然此最大應(yīng)力值小于材料的屈服極限和強(qiáng)度極限，然而在疲勞載荷作用下所進(jìn)行的長壽命疲勞計(jì)算得出葉片伸出部分與后盤焊接點(diǎn)附近的疲勞壽命沒有達(dá)到規(guī)定值。

又因?yàn)槿~輪的葉片懸臂端相對(duì)固定端的彎曲振動(dòng)，該振動(dòng)將進(jìn)一步增大應(yīng)力集中點(diǎn)處的應(yīng)力值。再由于葉輪中存在的射流-尾跡流動(dòng)，它會(huì)在葉片的懸臂端的外沿頂部產(chǎn)生激勵(lì)。因?yàn)榱黧w激勵(lì)為寬譜激勵(lì)，一般包含100 Hz以下的頻率成分，這將加速葉片在應(yīng)力集中點(diǎn)附近的破壞［5,6］。

▲圖9 改型C葉片的等效應(yīng)力分布圖

3 確定優(yōu)化改型方案

因?yàn)槿~輪結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，因此補(bǔ)救方案的出發(fā)點(diǎn)是，盡可能在原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上作適當(dāng)?shù)母膭?dòng)，以消除應(yīng)力集中現(xiàn)象。基于上述要求，提出了多種方案分別進(jìn)行計(jì)算、比較和篩選。下面就針對(duì)兩種優(yōu)化改型方案的計(jì)算進(jìn)行介紹。

3.1 改型方案B

該補(bǔ)救方案的出發(fā)點(diǎn)是，消除葉片伸出部分與后盤焊接點(diǎn)附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象，為此在后盤上焊接環(huán)形平板（板厚3～4 mm），使葉片在后盤處不存在懸臂現(xiàn)象，其模型如圖5所示。

3.1.1 靜力學(xué)計(jì)算

對(duì)改型方案B的葉輪進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算，當(dāng)葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應(yīng)力分布如圖6所示。

3.1.2 長壽命疲勞計(jì)算

在靜力學(xué)計(jì)算應(yīng)力分布的基礎(chǔ)上對(duì)葉輪進(jìn)行長壽命疲勞計(jì)算，由圖7可以看出，加上環(huán)形平板后的葉輪壽命滿足要求。

3.2 改型方案C

該補(bǔ)救方案的出發(fā)點(diǎn)是，進(jìn)一步改善改型方案B中風(fēng)扇葉片的應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)優(yōu)化葉輪出口氣流的流場，為此給風(fēng)扇增加了前蓋（厚度4 mm），如圖8所示。

對(duì)改型方案C的葉輪進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算，當(dāng)葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應(yīng)力分布如圖9所示。從圖中可以看出葉片沒有出現(xiàn)大面積的高應(yīng)力區(qū)域。

4 三維數(shù)值模擬

針對(duì)原型和改型離心葉輪的模型利用FLUENT軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬。改型三維計(jì)算與原型計(jì)算無論在網(wǎng)格選取、數(shù)值格式或是初、邊值條件上均保持一致，這樣計(jì)算結(jié)果更具可比性。

4.1 原型和改型方案的性能比較

為便于比較，將原型與改型的離心葉輪三維計(jì)算結(jié)果列于表1。

由表2列出的原型與改型離心葉輪在設(shè)計(jì)參考點(diǎn)性能比較可知,在相同條件下，改型B比原型流量大2.68%［（B-A）/A］， 改型 C 比原型流量大 3.55%［（CA）/A］；改型B比原型壓比高1.84%，改型C比原型壓比高2.97%；改型B較原型絕熱效率提高了3.07個(gè)百分點(diǎn)，改型C較原型絕熱效率提高了4.03個(gè)百分點(diǎn)。所以就設(shè)計(jì)參考點(diǎn)而言是達(dá)到性能指標(biāo)要求的。

表1 原型、改型離心葉輪三維定常計(jì)算結(jié)果

表2 改型離心葉輪三維定常計(jì)算性能比較

▲圖1 0 原型A葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 1 改型B葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 2 改型C葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 3 流量、壓比特性比較

▲圖1 4 流量、效率特性比較

由于原型、改型離心葉輪三維計(jì)算條件一致，計(jì)算流場可比性強(qiáng)，比較分析得出改進(jìn)結(jié)論如圖10、圖11和圖12所示，它們是原型與改型離心葉輪中截面靜壓分布，從中看出：①改型與原型葉輪壓力分布形態(tài)相似；②改型較原型葉輪壓力分布變化更平緩、順暢，且其加載能力更強(qiáng)；③都存在一定的負(fù)攻角，對(duì)離心葉輪的裕度及流量有利。

4.2 非設(shè)計(jì)點(diǎn)性能比較

對(duì)設(shè)計(jì)參考點(diǎn)的全三維數(shù)值模擬顯示,改型設(shè)計(jì)已滿足目標(biāo)要求，繼續(xù)對(duì)原型與改型實(shí)施設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速線的特性計(jì)算，以比較非設(shè)計(jì)工況性能與喘振裕度。

利用三維數(shù)值方法計(jì)算原型與改型離心葉輪特性線,采用不斷變化背壓，以逼離心葉輪向不穩(wěn)定點(diǎn)靠攏，計(jì)算不再收斂點(diǎn)暫定為不穩(wěn)點(diǎn)工作點(diǎn)。

理論計(jì)算與實(shí)際喘點(diǎn)存在誤差，但原型離心葉輪已經(jīng)多年使用，滿足裕度要求，改型離心葉輪裕度應(yīng)較原型一致或稍大，不應(yīng)出現(xiàn)裕度惡化問題。

圖13、圖14是原型與改型離心葉輪計(jì)算機(jī)計(jì)算的特性曲線圖。圖中分析得知：①兩個(gè)改型的壓比、效率都在原型之上，說明同樣流量下改型壓比、效率都高于原型值；②兩個(gè)改型堵塞流量大于原型值，堵塞流量分別大2.69%和3.57%；③以如下公式定義喘振裕度SM：式中：π表示壓比；G表示流量；下標(biāo)S表示計(jì)算值；下標(biāo)D表示設(shè)計(jì)值。

以相同背壓設(shè)計(jì)參考點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)，計(jì)算得出原型設(shè)計(jì)：SM原=15.33%， 改型B：SM改B=16.58%，改型C:SM改C=17.16%，由于原型離心葉輪的裕度滿足運(yùn)行要求，則改型離心葉輪的裕度也滿足要求。

5 結(jié)論

本文對(duì)某型離心壓縮機(jī)的葉輪實(shí)施改型結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)設(shè)計(jì)。通過焊接環(huán)形平板和加裝前蓋，很好地解決了原葉輪應(yīng)力集中現(xiàn)象，又在原有葉輪的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其效率，使其滿足用戶要求。通過本文離心葉輪改型氣動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)踐，可為類似的離心壓縮機(jī)改型設(shè)計(jì)提供借鑒。

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