大型軸流壓縮機(jī)靜葉片選材方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算

撒興軍 劉明霞 楊岐平*/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

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大型軸流壓縮機(jī)靜葉片選材方案的設(shè)計(jì)與計(jì)算

撒興軍 劉明霞 楊岐平*/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

Abstract

對(duì)于靜葉可調(diào)式大型軸流壓縮機(jī)，靜葉片既需要承受較大的氣動(dòng)力，又需要質(zhì)量小便于調(diào)節(jié)，因此選取合適的材料進(jìn)行研制開發(fā)是機(jī)組大型化設(shè)計(jì)需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。選取了不銹鋼、鋁合金和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料三種材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，分別進(jìn)行了靜葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛度、強(qiáng)度、頻率計(jì)算，并進(jìn)行了綜合對(duì)比。通過分析可知，選用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，靜葉片安全系數(shù)可達(dá)12.5，安全可靠性更高，并具有良好的性價(jià)比，這為玻璃纖維復(fù)合材料在大型軸流壓縮機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

靜葉可調(diào)；軸流式壓縮機(jī)；靜葉片；玻璃纖維復(fù)合材料

0 引言

軸流式壓縮機(jī)具有效率高、容量大和性能調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)［1-4］。伴隨工業(yè)需求的不斷提高，軸流式壓縮機(jī)也逐漸朝著大型化、輕量化、高效化、高壓比、低噪聲化等方向發(fā)展［5-6］，其主要目標(biāo)是提高壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和實(shí)用性。為了改善變工況時(shí)壓縮機(jī)的性能，大型軸流式壓縮機(jī)通常設(shè)計(jì)成靜葉可調(diào)的結(jié)構(gòu)型式，通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的靜葉角度改變壓縮機(jī)的工作點(diǎn)，從而達(dá)到恒定風(fēng)量控制風(fēng)壓的目的［7-9］。

靜葉片設(shè)計(jì)是靜葉可調(diào)式大型軸流式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。以往小型的風(fēng)機(jī)靜葉片尺寸較小，采用常規(guī)的不銹鋼坯料精加工而成。隨著機(jī)組的大型化，靜葉片尺寸也隨之增大。采用傳統(tǒng)工藝制造不銹鋼葉片，其質(zhì)量大，靜葉支撐軸承的可靠性和耐用性降低，因此必須對(duì)靜葉片進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，包括材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，以滿足安全可靠性的使用要求。本文擬采用鋁合金、不銹鋼和玻璃纖維復(fù)合材料三種材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，并分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、剛度和頻率計(jì)算。

1 設(shè)計(jì)要求

葉片設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮壓縮機(jī)的運(yùn)行條件，以某型號(hào)軸流壓縮機(jī)為例作為靜葉片設(shè)計(jì)輸入條件，具體如下：壓縮機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍70～887r/min，運(yùn)行介質(zhì)為空氣，靜葉弦長(zhǎng)450mm，葉高1 000mm；葉片葉頂安裝圍帶；葉片常用工作運(yùn)行溫度范圍為20℃～110℃，按照API617標(biāo)準(zhǔn)，葉片使用壽命最低需保證40 000小時(shí)。

2 設(shè)計(jì)方法和過程

2.1 葉片的幾何結(jié)構(gòu)

靜葉片各截面利用嵌入宏的EXCEL表格，將各截面翼型數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入CATIA軟件，得到葉片各截面輪廓線；依照各截面旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)，將各截面輪廓線旋轉(zhuǎn)一定的角度；采用多截面掃掠命令，依次選取旋轉(zhuǎn)后的各截面輪廓線，即可生成葉片的曲面；依據(jù)生成的曲面造型，按照葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行葉片實(shí)體化處理，并結(jié)合組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，葉片結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　葉片組件幾何結(jié)構(gòu)

2.2 葉片的設(shè)計(jì)方案

靜葉片三種方案的結(jié)構(gòu)形式分別為：

設(shè)計(jì)方案一：采用鋁合金的內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)，蒙皮厚度為7mm，內(nèi)部為空心加筋結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)方案二：采用不銹鋼的內(nèi)部加筋結(jié)構(gòu)，蒙皮厚度為6mm，內(nèi)部為空心加筋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式見圖2所示。

設(shè)計(jì)方案三：采用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料+泡沫芯材結(jié)構(gòu)形式，蒙皮厚度為13mm，葉片型面內(nèi)部填充泡沫夾芯。泡沫采用PMI泡沫材料，葉片蒙皮采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。

圖2　空心加筋結(jié)構(gòu)形式圖

2.3 邊界條件及載荷

1）邊界條件

依據(jù)葉片的約束條件，在葉片根部固定約束，如圖3所示。

圖3　邊界約束條件圖

2）載荷分析

等效氣動(dòng)載荷：靜葉在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主要受氣動(dòng)力，在進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析時(shí)，計(jì)算葉片在氣動(dòng)載荷工況下的變形和應(yīng)力水平。將所受載荷按照合力、合力矩相等的等效原則換算為壓強(qiáng)載荷施加到葉片的壓力面上，其形式如圖4所示。

圖4　設(shè)計(jì)工況下氣動(dòng)載荷分布形式圖

有限元建模和對(duì)計(jì)算結(jié)果的后處理使用MSC.Patran，分析計(jì)算使用MD.Nastran軟件。該軟件作為通用有限元分析軟件，在航空航天、機(jī)械制造、汽車交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；同時(shí)對(duì)工程復(fù)雜模型計(jì)算的穩(wěn)定性好而且精度高，能保證計(jì)算結(jié)果的效率和可靠性。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 剛度計(jì)算

葉片的質(zhì)量和剛度特性及其沿展向的分布不僅影響機(jī)組系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，如葉片固有振動(dòng)、振型及模態(tài)響應(yīng)，還對(duì)葉片的靜撓度也有影響［10］。在機(jī)組運(yùn)行過程中葉片會(huì)產(chǎn)生變形，大型機(jī)組的變形量更大，在設(shè)計(jì)過程中盡量提高葉片剛度，減小葉片變形對(duì)機(jī)組氣動(dòng)性能的影響，是十分必要的。因此對(duì)靜葉片在氣動(dòng)載荷作用下的剛度進(jìn)行了分析。三種設(shè)計(jì)方案的靜葉片在設(shè)計(jì)工況下的位移云圖，如圖5所示，位移單位為mm。

圖5　三種設(shè)計(jì)方案靜葉片在運(yùn)行工況下的位移云圖

由以上剛度計(jì)算結(jié)果可以看出，在設(shè)計(jì)工況下，不銹鋼靜葉片的剛度最好，其次為玻璃纖維復(fù)合材料葉片，鋁合金靜葉片的剛度稍差。不銹鋼靜葉片的最大位移約為鋁合金葉片的80%，剛度約提高20%。

3.2 強(qiáng)度計(jì)算與校核

將三種材質(zhì)靜葉片進(jìn)行強(qiáng)度校核，載荷為設(shè)計(jì)工況下氣動(dòng)載荷。葉片應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6　設(shè)計(jì)工況下葉片應(yīng)力云圖

由以上強(qiáng)度計(jì)算分析結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)方案一：葉片最大應(yīng)力為159MPa，安全系數(shù)：

設(shè)計(jì)方案二：葉片最大應(yīng)力為77.5MPa，安全系數(shù)：

設(shè)計(jì)方案三：葉片的最大應(yīng)力為20.8MPa，安全系數(shù)：

可見，三種設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，與不銹鋼和鋁合金葉片相比，玻璃纖維復(fù)合材料靜葉片的安全可靠性更高，葉片所受最大應(yīng)力僅為20.8MPa，其安全系數(shù)為12.5。

3.3 頻率計(jì)算

分別對(duì)三種設(shè)計(jì)方案的前兩階振動(dòng)特性進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果如下。

設(shè)計(jì)方案一：靜葉片振動(dòng)特性的1階模態(tài)振動(dòng)型式為1階舞振，固有頻率為199Hz；2階模態(tài)振動(dòng)型式為1階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為300Hz。

設(shè)計(jì)方案二：靜葉片振動(dòng)特性的1階模態(tài)振動(dòng)型式為1階舞振，固有頻率為192Hz；2階模態(tài)振動(dòng)型式為1階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為291Hz。

設(shè)計(jì)方案三：靜葉片振動(dòng)特性的1階模態(tài)振動(dòng)型式為1階舞振，固有頻率為124Hz，如圖7所示；2階模態(tài)振動(dòng)型式為1階扭轉(zhuǎn)，固有頻率為188Hz。

圖7　玻璃纖維復(fù)合材料靜葉片的1階模態(tài)圖

鋁合金葉片比不銹鋼葉片的固有頻率非常接近，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料葉片的固有頻率約為鋁合金的65%。計(jì)算結(jié)果為葉片的調(diào)頻和振動(dòng)特性的改善提供了依據(jù)。

3.4計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

由以上的分析結(jié)果可以得出如下列表，如表1所示。

表1　三種材質(zhì)靜葉片設(shè)計(jì)方案對(duì)比表

分析可知，無論對(duì)于剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)特性等指標(biāo)，還是對(duì)于成型工藝及加工成本，方案三都具有較大的優(yōu)勢(shì)，綜合性價(jià)比最高。依據(jù)對(duì)比結(jié)果，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料可以作為大型軸流式壓縮機(jī)靜葉片用材料。之前，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其輕質(zhì)、耐腐蝕和高拉伸模量一直是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片最常用的材料，是復(fù)合材料成功應(yīng)用的大型構(gòu)件用材［11-14］的典型。通過本文對(duì)比分析結(jié)果可知，對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的靜葉可調(diào)式軸流壓縮機(jī)，復(fù)合材料作為新型材料有良好的適用性。特別是隨著機(jī)組大型化的發(fā)展，與傳統(tǒng)金屬材料相比，其應(yīng)用具有更明顯的優(yōu)勢(shì)［15］。

4 結(jié)論

本文以某大型軸流壓縮機(jī)組為例，探討分析了靜葉片設(shè)計(jì)不同的選材方案及其可行性。通過分析、對(duì)比發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的鋁合金、不銹鋼類金屬材料相比，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有更高的安全可靠性，同時(shí)性價(jià)比更優(yōu)。這為復(fù)合材料在大型軸流壓縮機(jī)上的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，特別對(duì)于靜葉可調(diào)式軸流壓縮機(jī)的大型化發(fā)展具有積極的意義。

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Design and Calculation of Material selection Schemes for Stator Blade of Large-sca le Axia lCom pressor

Sa Xing-jun，Liu Ming-xia，Yang Qi-ping Wang Dong，Ju Fang-ling，He Li，Wang Yi-tian/Xi’an Shaangu Power Corporation Limited

For the large and variable stator typed axial compressor，the stator blades need towithstand greater aerodynamic load and become lighter in order to adjust compressor performance easily during operation.Therefore the material-selection and structural design of adjustable stator blades is one of the key technologies to be solved in the design large-scale compressors.Three different kinds of materials have been selected and analyzed，including stainless steel，aluminum and glass fiber reinforced epoxy composites. The calculation results of structure design，the stiffness，strength and nature frequency of the stator blades is also presented and compared.Results shown that the glass fiber reinforced epoxy composite has a higher reliability and is more cost-effective，as the safety factor of stator blade is up to 12.5.This result also provides a basis for the further applications of the glass fiber composite in the large-scale axial compressors.

static blade adjustable；axial compressor；stator blades；glass fiber reinforced epoxy composite

TH453；TK05

A

1006-8155（2016）01-0061-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0074

*本文其他作者：王冬 巨芳玲 賀立 王儀田/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司2015-10-26 陜西 西安 710611