基于ANSYS的離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

冀春俊 高亞威 孫 琦/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

冀文慧/大連中意透平科技有限公司

基于ANSYS的離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

冀春俊 高亞威 孫 琦/大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

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離心風(fēng)機(jī)；葉輪；應(yīng)力；應(yīng)變；葉頂間隙

0 引言

離心風(fēng)機(jī)屬于透平式風(fēng)機(jī)的一種，主要應(yīng)用于氣體的壓縮和輸送[1-4]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的性能要求也越來(lái)越高，針對(duì)如何提高其運(yùn)行效率所進(jìn)行的研究也越來(lái)越多。葉輪是離心風(fēng)機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式會(huì)直接影響離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。其中葉輪葉頂間隙對(duì)于泄漏損失和葉頂二次流損失有著重要的影響作用，減小葉頂間隙是改善葉輪性能的一個(gè)重要途徑。本文采用一種新型的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行葉輪設(shè)計(jì)，并采用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算分析，確定出葉輪的應(yīng)力及軸向和徑向變形量，從而達(dá)到精確控制葉頂間隙的目的，對(duì)進(jìn)一步研發(fā)新型高性能葉輪具有一定的參考價(jià)值。

1 研究對(duì)象

離心風(fēng)機(jī)等透平設(shè)備所采用的葉輪大多都是輪盤部分挖有“導(dǎo)力錐”[4]結(jié)構(gòu)。然而，“導(dǎo)力錐”結(jié)構(gòu)的存在使得葉輪整體平衡性不好，導(dǎo)致很難進(jìn)一步提高葉輪氣動(dòng)效率。因此，針對(duì)如何有效地改善葉輪運(yùn)行中的平衡性的研究就顯得很重要。本文研究的葉輪通過(guò)NREC軟件采用全三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，其性能指標(biāo)符合工程技術(shù)要求。將其作為葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的原始模型，對(duì)該葉輪的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。原模型葉輪主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 離心風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)部分參數(shù)表

原模型葉輪輪盤結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

利用已有葉輪有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，采用三維參數(shù)化造型軟件UG NX8.0[5]對(duì)原始葉輪進(jìn)行三維造型。原始葉輪實(shí)體模型如圖2所示。

2 葉輪有限元分析

2.1有限元分析方法[6-9]

葉輪結(jié)構(gòu)材料采用的是FV520B,其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7 860kg/m3，屈服強(qiáng)度為1 030MPa。

1）選取單元類型

由于三元流葉輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，葉片存在不規(guī)則形狀，所以采用Solid187單元類型對(duì)葉輪進(jìn)行有限元分析。Solid187單元是一個(gè)三維10節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的模型（例如通過(guò)不同的CAD/CAM系統(tǒng)建立的模型），通過(guò)10個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著x，y，z（笛卡爾坐標(biāo)系）方向平移的自由度，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力。還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮超彈塑性材料和完全不可壓縮超彈性材料。

2）網(wǎng)格劃分要求

設(shè)計(jì)方案中的葉輪整體進(jìn)行有限元分析，設(shè)置全局單元尺寸，采用自由網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3）加載約束、求解

針對(duì)本研究葉輪來(lái)說(shuō)，因其在運(yùn)行時(shí)沿著軸線以均勻角速度旋轉(zhuǎn)，因此在葉輪與軸配合面施加周向位移和軸向位移約束，徑向松開。并通過(guò)施加角速度選項(xiàng)對(duì)葉輪施加慣性載荷。

4）分析結(jié)果后處理

計(jì)算求解出來(lái)的有限元分析結(jié)果根據(jù)不同的后處理需要，既可以采用文本形式顯示，也可以采用等值線圖等形式進(jìn)行顯示。

2.2有限元分析結(jié)果

按照2.1所列出的步驟，整體單元尺寸設(shè)置為2mm，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)原始葉輪進(jìn)行分析計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如圖3。

原始葉輪有限元分析結(jié)果顯示，最大von Mises應(yīng)力位于葉輪“導(dǎo)力錐”倒角處，最大應(yīng)力為657.12MPa，最大軸向位移位于葉輪進(jìn)口前緣靠近葉頂處，軸向位移范圍為-0.326 44～0.039 593mm，最大徑向位移位于葉輪出口尾緣靠近葉頂處，徑向位移為0～0.142 48mm。綜合分析計(jì)算結(jié)果來(lái)看，葉輪應(yīng)力滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，因此，原始葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)的方向就是減小運(yùn)行中的軸向位移和徑向位移。

3 葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

3.1葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方案

原始葉輪有限元分析結(jié)果表明，葉輪整體平衡性較差，導(dǎo)致其運(yùn)行過(guò)程中的軸向和徑向位移量偏大。軸向和徑向位移量的偏大也是葉輪運(yùn)行效率很難通過(guò)氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高的原因。本著改善葉輪整體平衡性的原則，理論上講，在葉輪輪盤側(cè)添加凸臺(tái)結(jié)構(gòu)可以有效的改善葉輪運(yùn)行中的整體不平衡性。本文提出了圖4中4種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

采取與計(jì)算原始葉輪模型相同的方法，設(shè)置整體單元尺寸為2mm，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)4種改進(jìn)方案進(jìn)行分析計(jì)算，得出4種設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果，具體如表2所示。

表2 4種設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果表

并對(duì)4種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，綜合考慮各方面因素，得出方案1是最優(yōu)化的改進(jìn)方案。其具體計(jì)算結(jié)果見圖5。

最優(yōu)化改進(jìn)葉輪模型有限元分析計(jì)算結(jié)果顯示，改進(jìn)后葉輪與原始葉輪模型相比，葉輪運(yùn)行中的最大應(yīng)力和應(yīng)變大致處于相同的位置，但最大應(yīng)力和應(yīng)變均有一定程度上的改變。改進(jìn)后葉輪最大von Mises應(yīng)力為698.71MPa，滿足葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。軸向位移范圍為-0.170 32～0.014 68mm，徑向位移范圍為0～0.133 89mm。

將原始葉輪模型有限元分析計(jì)算結(jié)果參數(shù)與葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)果參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，筆者發(fā)現(xiàn)，在von Mises應(yīng)力都滿足葉輪強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的前提下，原始葉輪模型的軸向位移范圍大約是結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后葉輪模型的2倍，徑向位移也較結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后葉輪模型大。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了改善葉輪運(yùn)行中的整體不平衡性是可以實(shí)現(xiàn)的，并且軸向和徑向位移量的減小表明了本設(shè)計(jì)方案的正確性。

4 結(jié)論

本文通過(guò)利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)原始葉輪模型進(jìn)行靜力分析計(jì)算。由于輪盤部位“導(dǎo)力錐”的存在，發(fā)現(xiàn)其軸向位移和徑向位移均很大。導(dǎo)致葉輪運(yùn)行中的整體不平衡性增加，進(jìn)而會(huì)引起葉輪氣動(dòng)效率的降低等現(xiàn)象出現(xiàn)。針對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)之后的葉輪模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算，結(jié)果表明：凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選取，使葉輪軸向位移量和徑向位移量均有很大程度的減小，有效地改善了葉輪運(yùn)行中的整體不平衡性。同時(shí)由于在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以精準(zhǔn)地控制葉頂間隙的設(shè)計(jì)，可以保證漏氣損失和葉頂二次流損失在最低水平，從而提高離心風(fēng)機(jī)葉輪的氣動(dòng)效率。

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圖14所示為吊裝工具在工作狀態(tài)下的等效應(yīng)力分布云圖，其最大等效應(yīng)力值約為226MPa，其發(fā)生位置為筋板焊縫處，應(yīng)力值均小于該材料的屈服極限。該吊裝工具的設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，得到了機(jī)組的葉輪直徑及葉輪個(gè)數(shù)等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，先后對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)、定子的結(jié)構(gòu)及蝸室進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)完全能夠達(dá)到各方面的要求。另外，由于機(jī)組直徑過(guò)大，使得芯子的裝拆成為了重中之重，本文中的設(shè)計(jì)完美地解決了這一難題。該壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)成功，填補(bǔ)了業(yè)界空白。

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：葉輪是離心風(fēng)機(jī)的核心部件，由于葉輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件,動(dòng)靜之間不能有接觸，同時(shí)動(dòng)靜之間的間隙通過(guò)泄漏損失和二次流損失直接影響風(fēng)機(jī)的效率。為有效地控制葉輪和形環(huán)之間的間隙，本文提出在葉輪輪盤側(cè)添加凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用4種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。利用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析[1-3]，綜合考慮葉輪應(yīng)力、應(yīng)變等因素，最終得到了在新型設(shè)計(jì)方法下的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，新型設(shè)計(jì)改進(jìn)方案有效地減小了葉輪的軸向位移量和徑向位移量，為葉輪和形環(huán)之間的間隙設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，進(jìn)而可以最大限度地減少漏氣損失和二次流損失。

Structure Op tim ization Study o f Centrifuga l Fan Im pe ller Based on ANSYS

Ji Chun-jun,Gao Ya-wei,Sun Qi/School of Energy and Power Engineering,Dalian UniversityofTechnology
Ji Wen-hui/Dalian ZhongYi Turbine TechnologyCo.,Ltd.

centrifugal fan；impeller；stress；strain;tip clearance

TH452;TK05

A

1006-8155-(2016)06-0049-04

10.16492/j.fjjs.2016.06.0167

2016-05-09遼寧大連116024

Abstract:Impeller is the core part of a centrifugal fan.As the impeller is rotating at a very high speed,the rotor and stator part should not contactatall.The tip clearance has a great influence on the fan efficiency because of the leakage loss and the secondary flow loss.A convex structure on the impeller wheel side was proposed to reduce the strain of the impeller so as to control the impeller tip clearancemore accurately.Four new structure were designed and evaluated numerically by ANSYS.The results indicate that the new structure may reduce the axial and radial displacement of the impeller effectively.The design of the convexminimize the leakage loss and secondary flow loss by optimizing the tip clearance.