新型單級離心鼓風(fēng)機葉輪的分析

牟學(xué)甲 劉亮 代彬

摘 要：離心式鼓風(fēng)機在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，在各領(lǐng)域中多屬于核心性設(shè)備。目前市場對單級離心式鼓風(fēng)機的要求越來越高，高效率、大流量和高壓比單級離心鼓風(fēng)機的需求越來越強烈。本新型鼓風(fēng)機采用優(yōu)化的半開式三元后彎葉片、高氣動效率的葉輪。通過使用PROE軟件對葉輪進行建模，利用ANSYS對葉輪模型進行分析。

關(guān)鍵詞：離心鼓風(fēng)機；半開式三元葉輪；有限元分析

葉輪又稱工作輪，是鼓風(fēng)機組中唯一對介質(zhì)做功的元件，可以說是整套機組中最核心的部件。葉輪質(zhì)量的優(yōu)良或者劣質(zhì)將會直接影響到機組設(shè)備是否可以長周期穩(wěn)定的工作。因為其是最主要的承力部件，所以對葉輪在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造工藝都有非常嚴苛的要求。葉輪發(fā)展正朝著旋轉(zhuǎn)速度更高、容量更大、效率更高、重量更輕的方向發(fā)展，其在設(shè)計過程中應(yīng)滿足以下幾點：

（a）葉輪需要為機組提供盡可能大的能量頭；

（b）所設(shè)計的葉輪形式要在運行過程中保證整機的性能穩(wěn)定；

（c）葉輪的效率要盡可能的高，介質(zhì)通過葉輪的損失要小；

（d）所設(shè)計的葉輪型式保證機中的穩(wěn)定工況區(qū)較寬；

（e）葉輪需要保證機組有較寬的高效區(qū)；

（f）葉輪的強度和質(zhì)量必須符合運行要求。

1.葉輪簡介

按照葉輪的彎曲形式其類型有三種，分別是前彎式、后彎式和徑向式。按扭轉(zhuǎn)類型分為二元葉片和三元葉片兩種。近年來三元葉片在鼓風(fēng)機中的應(yīng)用越來越廣泛，三元葉片的優(yōu)點很明顯，三元葉片空間扭曲改善了工作輪內(nèi)氣體流動的系能；速度均勻；壓力分布合理；氣體流動損失較小效率明顯提高。工作輪按照結(jié)構(gòu)形式可以分為開式、半開式和閉式三種。

本新型鼓風(fēng)機配備有現(xiàn)代化的半開式三元葉片、高氣動效率的葉輪。其加工使用先進的五坐標加工中心設(shè)備，保證精密的加工精度。葉輪的后彎式傾斜葉片能保證好的效率。并且其特性曲線顯示出了明顯的壓力升高到喘振的限制點，因此，保證了一個穩(wěn)定的控制范圍。

2.葉輪強度分析

根據(jù)工作輪模型圖紙選擇合適的制圖軟件創(chuàng)建準確的仿真圖形，在對其進行有限元計算之前運用ansys軟件做合理的有限元離散并建立有限元計算模型，這些準備是可靠準確的計算結(jié)果的必要前提。葉輪結(jié)構(gòu)為半開式三元葉輪，長短葉片。由于三元葉片是帶有空間扭曲，使得葉片造型成為模型建立的難點。為了盡可提高所創(chuàng)建計算模型的高精度，在計算分析中使用了高級曲面創(chuàng)建命令完成了該葉片細節(jié)的工作。葉輪材質(zhì)采用FV520B，材料屈服極限為1030MPa，是抵御金屬極小塑性形變時候的應(yīng)力，是金屬材料引起屈服現(xiàn)象時的屈服極限。強度極限1080MPa，定義是受外部應(yīng)力作用下生成破壞時出現(xiàn)的極限應(yīng)力，亦可稱之為破壞強度或者破壞應(yīng)力。彈性模量21×1011牛頓/平方米，也稱作為楊氏模量，其數(shù)值大小是應(yīng)力除以應(yīng)變的結(jié)果，是抵抗物體彈性形變的一種特性。泊松比0.3，也叫橫向變形系數(shù)，它的定義是指材料在僅僅受到向內(nèi)或外的激勵狀態(tài)下，橫向正應(yīng)變和軸向正應(yīng)變比值的絕對值，是表現(xiàn)物體材料橫向變形的彈性常數(shù)。在運行過程中葉片受慣性力的影響沿逆時針方向變形的趨勢發(fā)展，所以葉輪根部存在有阻止這種變形趨勢的反拉應(yīng)力。葉輪在離心力的作用下，其有向外膨脹的趨勢，最主要變形是沿徑向方向。此處的最大應(yīng)力值是小于材料的屈服強度1030MPa。通過分析可知當葉輪進行超轉(zhuǎn)后，其不會發(fā)生生塑性變形，保證了葉輪不會對氣動性能產(chǎn)生影響，葉輪材料的選擇是符合設(shè)計要求的。

葉輪超轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力云圖（前端）

3.葉輪變形分析

葉輪的型環(huán)間隙對鼓風(fēng)機的性能及氣動性能影響是非常大的。當工作輪在實際工況內(nèi)運轉(zhuǎn)運行過程中，由激勵的影響會生成穩(wěn)定的彈性形變，這就會縮小在靜止狀態(tài)內(nèi)得間隙值。這一過程對鼓風(fēng)機的運轉(zhuǎn)可靠性、平穩(wěn)性以及氣動性能都有著影響。為了保證鼓風(fēng)機運行的可靠性和高效率，在鼓風(fēng)機理論設(shè)計過程中，對型環(huán)間隙值的設(shè)計凸顯了其重要性。介質(zhì)經(jīng)葉輪做功后壓力和溫度都得到了提高，如果形環(huán)間隙值過大，介質(zhì)將會大量的從葉輪出口高壓高溫區(qū)域倒流回入口低壓低溫區(qū)域，使入口溫度不斷升高，這種內(nèi)泄露損失不但降低氣動性能效率，還會造成出口壓力不足，最惡劣的情況下會導(dǎo)致連鎖停車。如果形環(huán)間隙過小，葉輪運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生彈性形變會刮碰到定子部件，損壞氣體流道甚至損壞轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，嚴重時將產(chǎn)生安全事故。型環(huán)間隙過小有著非常大的安全隱患。葉輪在正常工作狀態(tài)下的變形值，選擇合理的間隙值是保證機組高效率、可靠性、穩(wěn)定性的重要環(huán)節(jié)。葉輪變形量大的區(qū)域是設(shè)計過程中需要特別注意的地方。葉輪的變形量可以通過云圖可知，這些理論分析的數(shù)值是設(shè)計的基礎(chǔ)。

葉輪進口徑向變形云圖

4.小節(jié)

通過使用PROE軟件對葉輪進行建模，利用ANSYS對葉輪模型進行分析。葉輪的強度分析確定了葉輪材料選擇滿足設(shè)計要求，葉輪的變形數(shù)值是后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 徐忠，離心式壓縮機原理[M]，西安：西安交大出版社，2005.

[2] 陳良玉，機械設(shè)計基礎(chǔ)[M]，沈陽：東北大學(xué)出版社，2006.

作者簡介：

牟學(xué)甲，男，1984年生，2008年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)，工學(xué)學(xué)士，沈鼓集團齒輪壓縮機公司壓縮機設(shè)計部工程師。

（作者單位：沈陽鼓風(fēng)機集團齒輪壓縮機有限公司）