離心式通風機葉輪動應力的測量

王增貴

（新聞出版廣電總局六五四臺 831100）

離心式通風機葉輪動應力的測量

王增貴

（新聞出版廣電總局六五四臺 831100）

離心式通風機是工業(yè)生產部門使用非常廣泛的一類機械設備，在電力、石油、化工等領域發(fā)揮著重要作用，其能否安全運行直接關系著各個生產部門的經(jīng)濟效益。葉輪是風機最為關鍵的部件，它的強度不足或疲勞破壞會造成風機事故。本文以G4-73N0.8D離心式通風機葉輪為研究對象，對離心式通風機葉輪動應力進行了測量，旨在提高通風機的工作效率。

離心式通風機；葉輪；動應力；測量

葉輪機械中，葉輪是最為關鍵的部件，其性能好壞直接關系到葉輪機械運行的可靠性、安全性與經(jīng)濟性。近年來，隨著風機向高參數(shù)、高性能方向發(fā)展，使葉輪的工作環(huán)境更加惡劣，再加上傳統(tǒng)葉輪強度計算方法對葉輪進行了大量的簡化，導致計算誤差一般較大，所以有關葉輪失效的事故時有發(fā)生。研究表明，大型離心通風機葉輪由交變應力引起的高周疲勞斷裂是其主要斷裂形式，而葉輪內部的非定常流是引起交變應力的主要因素。

1 離心式通風機葉輪動應力特性的模態(tài)分析過程與結果分析

模態(tài)分析是用來計算結構的固有頻率和振型分布的，如果葉輪結構的固有頻率與工作的旋轉頻率相重合或者相接近，就有可能引起共振。此外，葉輪經(jīng)常受到各種因素造成的穩(wěn)定和非穩(wěn)定的流體激振力的作用，如果激振力的頻率與葉輪在流體中的固有頻率相同或者接近時也同樣會有可能引發(fā)共振，在共振條件下極易引起葉輪結構的破壞。因此，在設計過程中，必須進行模態(tài)分析。

進行模態(tài)分析時，假設葉輪結構為自由振動并且忽略阻尼的影響，此時方程將變?yōu)镸x..+Kx=0。

模態(tài)分析又分為無預應力模態(tài)分析和預應力模態(tài)分析，具體分析流程如圖1所示。在一些情況下，還需要考慮預應力效應，因為在載荷的作用下，結構的應力狀態(tài)可能會影響自身的固有頻率。在求解預應力模態(tài)分析的過程中，ANSYS程序內部需要執(zhí)行兩個迭代過程：首先進行線性靜力分析，再基于靜力分析的應力狀考慮應力硬化矩陣，然后求解預應力模態(tài)分析。此外，對于模態(tài)分析，由于沒有激勵作用在結構上，因此振型只是與自由振動相關的相對值，而不是絕對值。

圖1 模態(tài)分析流程圖

軟件ANSYS提供了多種模態(tài)提取方法，如Block Lanczos法、子空間法、Power Dynamics法和縮減法。其中Block Lanczos法為默認提取方法，它米用Lanczos算法，用一組向量來實現(xiàn)Lanczos遞歸計算。這種方法和子空間法一樣精確，但速度更快。本文釆用Block Lanczos法進行模態(tài)提取，該方法的優(yōu)點是僅通過矩陣的相乘運算即可獲得結構離散化模型較好的假設模態(tài)矩陣，它所張成的模態(tài)空間能有效地逼近結構離散化模型的低維模態(tài)空間，并且這種方法一般不會發(fā)生漏根現(xiàn)象。

首先進行不考慮預應力效應的模態(tài)分析，模擬葉輪在靜態(tài)下的固有頻率（頻）和振型變化情況。然后進行考慮預應力效應的模態(tài)分析，模擬葉輪在正常工作下的固有頻率（動頻）和振型變化情況，計算結果見表1。

由表1中的數(shù)據(jù)可知：

（1）預應力對葉輪結構的固有頻率有一定的影響，使各階固有頻率有所提高，但提高的幅度較小，其中最大提高幅度為2.6%，但葉輪結構的固有頻率主要還是由葉輪自身物理屬性和結構分布來決定的。

表1 葉輪的固有頻率

（2）葉輪結構的固有頻率在三種不同載荷工況下基本保持不變，從中可以看出由重力和氣動力的作用所產生的預應力對葉輪結構的固有頻率基本沒有影響，在實際計算時可以將這兩種力忽略不計，而只考慮離心力的作用。

（3）葉輪結構的固有頻率有重頻現(xiàn)象，這是因為從結構上來講葉輪是循環(huán)對稱結構。

2 離心式通風機葉輪振動特性研究

葉輪工作時受到的氣動力是隨時間變化的，這樣就會使葉輪產生振動。當葉輪的固有頻率等于激振力的頻率或其整數(shù)倍時就會有產生共振的危險，從而使葉輪疲勞斷裂。葉輪振動可以通過兩個方面來影響流場：①通過結構振動對流體邊界的影響；②通過結構振動所激勵的彈性波即聲場對流場的影響。由于葉輪本身變形非常小且振動產生的位移也非常小，再加上流體不可壓縮，特征馬赫數(shù)遠小于1，因此葉輪振動對流場的影響基本可以忽略不計。

2.1 風機非定常模擬結果與分析

首先對風機進行定常流動數(shù)值模擬，然后以這個定常結果作為非定常流動數(shù)值模擬的初始條件進行瞬態(tài)模擬。本文瑞流模型選擇SSTk-w兩方程瑞流模型，它是由Menter從標準免模型的基礎上發(fā)展而來的。將葉輪旋轉一周分成360個時間步，即將時間步長設定為1.149×10-4S，設定風機入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，風機壁面均按光滑壁面處理，并采用無滑移壁面邊界條件，壁面函數(shù)釆用自動壁面函數(shù)。靜止區(qū)域（進口段和鍋殼）與旋轉區(qū)域（葉輪）的交界面釆用瞬態(tài)轉子-靜子（Transient Rotor-stator）模型，風機各個部分之間采用GGI方法進行連接。

在風機穩(wěn)定運行工況內，取三個流量（分別為0.84、1.0和1.16倍的設計流量）進行非定常數(shù)值模擬，其中設計工況下風機體積流量為6.318m3/s，計算中忽略重力對流場的影響。計算穩(wěn)定后始采樣，共采集兩周數(shù)據(jù)。在葉輪的出口處和一個流道內布置監(jiān)測點，監(jiān)測點1-7所在平面為輪蓋與輪盤之間的中間平面，與輪盤的距離為10cm，此外，監(jiān)測點8和9分別為靠近輪蓋和輪盤側，與點6X、Y坐標相同、Z坐標不相同點。

2.2 葉輪振動特性分析

由上述模擬的結果分析可得知，因此可以推斷葉輪在非定常氣動力的作用下，在輪蓋外緣附近區(qū)域將形成局部共振，葉輪在三種載荷共同作用下，輪蓋外緣附近區(qū)域的變形量和等效應力都較小，且等效應力遠小于葉輪材料的疲勞極限，所以該區(qū)域不會發(fā)生疲勞破壞。

3 結語

綜上所述，通過對離心式通風也機輪動應力的測量更加真實的反應實際情況，從而得到鋼架準確的結果，保障離心式通風機的正常工作。

[1]何立東，袁新，何麗娜.離心壓氣機擴容改造中的轉子動平衡[J].熱能動力工程，2001，16（2）：202～204.

[2]彭鑫，蔡兆麟.大型離心通風機葉輪的三維應力計算[J].風機技術，2001（2）：25～28.

TH432

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1004-7344（2016）13-0093-02

2016-4-20