離心壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損的動(dòng)力特性研究

馬江峰 張麗偉

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)安裝檢修配件有限公司

離心壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損的動(dòng)力特性研究

馬江峰 張麗偉

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)安裝檢修配件有限公司

離心式壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，葉輪作為其主要做功部件需要有較高的旋轉(zhuǎn)速度(2000～10000r/min)。由于葉輪工作環(huán)境通常較為惡劣，輸運(yùn)介質(zhì)或工業(yè)大氣中的固體顆粒容易被高速運(yùn)動(dòng)的氣流帶動(dòng)，沖擊葉片造成固體顆粒沖蝕。固粒沖蝕磨損會(huì)造成葉輪材料損耗流失，進(jìn)而造成材料破壞或設(shè)備失效。針對(duì)葉輪機(jī)械的沖蝕磨損問題，文章側(cè)重動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

離心式壓縮機(jī)；葉輪沖蝕；磨損

離心壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械，工作介質(zhì)在高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的葉片帶動(dòng)下沿葉輪徑向甩出。因生產(chǎn)需要，離心壓縮機(jī)常面臨著惡劣的工作環(huán)境，運(yùn)輸介質(zhì)中往往不可避免的混入微小固體顆粒，長(zhǎng)期運(yùn)行過程中對(duì)葉輪葉片造成沖蝕磨損，磨損造成葉輪材料流失，進(jìn)而引發(fā)葉輪失效，因此，研究顆粒對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪的磨損，并分析磨損損傷葉輪動(dòng)力特性等的變化，對(duì)于了解葉輪沖蝕磨損失效規(guī)律和保障壓縮機(jī)工程價(jià)值具有重要意義。

1 計(jì)算模型的建立

1.1 葉輪模型和網(wǎng)格劃分

葉輪實(shí)體模型來源于沈陽鼓風(fēng)機(jī)廠提供的空分壓縮機(jī)沖蝕磨損失效葉輪，葉輪為三維閉式葉輪，葉片總數(shù)為22，其中長(zhǎng)、短葉片各11片。對(duì)其運(yùn)行2年后進(jìn)行檢修，發(fā)現(xiàn)葉輪的大葉片壓力面出口根部發(fā)生了嚴(yán)重的材料流失現(xiàn)象，沖蝕減薄嚴(yán)重，小葉片基本沒有沖蝕。對(duì)葉片實(shí)際沖蝕形貌進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)葉輪大小葉片型線數(shù)據(jù)、輪盤輪蓋子午面數(shù)據(jù)，利用三維造型軟件Pro/E建立帶有磨損損傷的葉輪三維模型。葉輪出口直徑918mm，轉(zhuǎn)速6180r/min。葉輪材料為FV520B，F(xiàn)V520B是英國(guó)Firth-Vickers材料研究室研究開發(fā)的一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，是制造離心壓縮機(jī)葉輪的理想材料。

1.2 材料參數(shù)和邊界條件

在有限元中對(duì)葉輪進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于葉輪模態(tài)是其固有屬性，當(dāng)葉輪結(jié)構(gòu)形式確定后，只需要再定義材料密度、彈性模量和泊松比。在本文中，針對(duì)特定的離心壓縮機(jī)葉輪材料，根據(jù)提供的材料參數(shù)，定義材料密度為7780kg/m3彈性模量1.9X1011Pa，泊松比0.2950。在支撐和載荷施加方面，為了模擬葉輪的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)，在葉輪輪毅內(nèi)圈施加圓柱約束，并將軸向和徑向位移約束固定，設(shè)置切向位移為自由，以此來模擬葉輪與壓縮機(jī)主軸的連接情況。另外，由于離心壓縮機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)6180r/min，相對(duì)于離心力，重力的影響很小，本文予以忽略。進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于離心力的作用，會(huì)對(duì)葉輪產(chǎn)生“剛化效應(yīng)”，要考慮預(yù)應(yīng)力作用下的模態(tài)分析，即要設(shè)定葉輪轉(zhuǎn)速。在考慮流固禍合時(shí)，認(rèn)為葉輪葉片變形很小，對(duì)流場(chǎng)無影響，進(jìn)行單相流固禍合分析，即把FLUENT中獲得的氣動(dòng)力插值傳遞到葉輪結(jié)構(gòu)表面上，為考察大葉片后緣局部減薄的影響，還要進(jìn)行損傷葉輪的模態(tài)分析。

1.3 結(jié)果分析

單獨(dú)考慮離心力作用和同時(shí)考慮離心力加氣動(dòng)力作用對(duì)葉輪固有頻率的影響變化規(guī)律基本一致，而且在加載離心力的前提下，氣動(dòng)力對(duì)葉輪固有頻率的影響幾乎可以忽略；離心預(yù)應(yīng)力主導(dǎo)了葉輪的“剛化效應(yīng)”，離心拉應(yīng)力的作用使得葉輪整體剛度增加，從而使得葉輪固有頻率在不同階次下有不同幅度的提升。當(dāng)單獨(dú)考慮氣動(dòng)力作用時(shí)，氣動(dòng)載荷對(duì)葉輪固有頻率的影響趨勢(shì)不明顯，在不同的階次下使得葉輪固有頻率出現(xiàn)不同幅度的升高或降低。為了進(jìn)一步探討不同承載條件對(duì)葉輪模態(tài)的影響，對(duì)前12階固有頻率對(duì)應(yīng)的葉輪模態(tài)振型進(jìn)行分析。由于葉輪是循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故在某階次下存在頻率相同而相位不同的重頻現(xiàn)象，重頻時(shí)葉輪表現(xiàn)出同一種振型。

2 動(dòng)力特性分析

2.1 頻率分析

(1)對(duì)于原始葉輪，加載離心力會(huì)使葉輪各階固有頻率有所提升，說明離心力使得葉片出現(xiàn)剛化效應(yīng)；最大提升幅值出現(xiàn)在第3，4階模態(tài)處，約為3%；其次是第7，8階模態(tài)，增幅為2.5%；(2)加載離心力對(duì)于單葉片損傷和所有葉片損傷葉輪的固有頻率影響幅度幾乎相同，且除第5階模態(tài)以外，各階次頻率增幅均低于同階次下離心力對(duì)原始葉輪的固有頻率的影響幅值；對(duì)于損傷葉輪，在第6，9和10階模態(tài)下，加載離心力使其固有頻率增幅出現(xiàn)了負(fù)值，說明在這幾階模態(tài)下，相對(duì)于剛化效應(yīng)，葉片因材料流失造成的剛度降低對(duì)葉輪固有頻率的影響更為顯著；(3)葉輪損傷會(huì)造成其固有頻率有所略有下降，但影響很小，變化幅值基本在0.7%以內(nèi)，幾乎可以忽略不計(jì)，只有第6階模態(tài)下固有頻率降幅超過了1.5%，第5階模態(tài)下出現(xiàn)了增幅，說明葉輪損傷對(duì)這兩個(gè)階次下的葉輪動(dòng)力特性影響較大，可以考慮對(duì)其模態(tài)振型和共振等加以分析。

2.2 損壞強(qiáng)度分析

(1)原始葉輪大葉片最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在葉輪前緣與輪蓋結(jié)合處附近，而單個(gè)大葉片損傷和所有大葉片損傷的葉輪其損傷大葉片最大等效應(yīng)力集中在葉片后緣磨損減薄最為嚴(yán)重的部位，說明大葉片根部因沖蝕磨損帶來的葉片損傷導(dǎo)致最大等效應(yīng)力部位向損傷處發(fā)生了轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中部位沿葉片損傷變形分布，且靠近輪盤結(jié)合處更為顯著；(2)損傷大葉片處的最大等效應(yīng)力相對(duì)于原始葉輪大葉片最大等效應(yīng)力有所提升，單個(gè)大葉片損傷和所有大葉片損傷的提升幅值分別為7.73%和7.04%，雖然有限元計(jì)算會(huì)存在捕捉局部個(gè)別節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值而造成安全系數(shù)偏低的結(jié)果，但是仍應(yīng)著重考慮可能因磨損損傷帶來的材料破壞。

綜上所述，(1)一定程度上的葉片沖蝕減薄對(duì)葉輪的固有頻率影響很小，在離心預(yù)應(yīng)力作用下，葉輪損傷會(huì)導(dǎo)致其固有頻率略有下降，這主要是因?yàn)椴牧狭魇г斐闪巳~輪剛度降低。(2)磨損損傷造成大葉片最大等效應(yīng)力部位向葉片后緣減薄處發(fā)生轉(zhuǎn)移，且損傷處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，損傷葉片最大變形量提升50%左右，由模擬結(jié)果來看，應(yīng)對(duì)實(shí)際工況下?lián)p傷葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加以考究。

[1] 徐文汗，李劍峰，劉子武，賈秀杰. 離心壓縮機(jī)葉輪沖蝕磨損的動(dòng)力特性研究[J]. 流體機(jī)械，2016，09：41-46.

[2] 龔寶龍. 離心壓縮機(jī)葉輪內(nèi)湍流及沖蝕磨損特性研究[D] .山東大學(xué)，2014.