冀春俊 高亞威 孫 琦/大連理工大學能源與動力學院

冀文慧/大連中意透平科技有限公司

基于ANSYS的離心風機葉輪結構優(yōu)化研究

冀春俊 高亞威 孫 琦/大連理工大學能源與動力學院

冀文慧/大連中意透平科技有限公司

離心風機；葉輪；應力；應變；葉頂間隙

0 引言

離心風機屬于透平式風機的一種，主要應用于氣體的壓縮和輸送[1-4]。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，對離心風機的性能要求也越來越高，針對如何提高其運行效率所進行的研究也越來越多。葉輪是離心風機的核心部件，其結構形式會直接影響離心風機的運行效率。其中葉輪葉頂間隙對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重要途徑。本文采用一種新型的葉輪結構設計方法進行葉輪設計，并采用通用有限元分析軟件ANSYS對不同設計方案進行計算分析，確定出葉輪的應力及軸向和徑向變形量，從而達到精確控制葉頂間隙的目的，對進一步研發(fā)新型高性能葉輪具有一定的參考價值。

1 研究對象

離心風機等透平設備所采用的葉輪大多都是輪盤部分挖有“導力錐”[4]結構。然而，“導力錐”結構的存在使得葉輪整體平衡性不好，導致很難進一步提高葉輪氣動效率。因此，針對如何有效地改善葉輪運行中的平衡性的研究就顯得很重要。本文研究的葉輪通過NREC軟件采用全三維氣動設計方法設計，其性能指標符合工程技術要求。將其作為葉輪結構優(yōu)化改進的原始模型，對該葉輪的結構形式進行優(yōu)化改進。原模型葉輪主要幾何參數(shù)如表1所示。

表1 離心風機葉輪結構部分參數(shù)表

原模型葉輪輪盤結構形式如圖1所示。

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

2 葉輪有限元分析

2.1有限元分析方法[6-9]

葉輪結構材料采用的是FV520B,其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，密度為7 860kg/m3，屈服強度為1 030MPa。

1）選取單元類型

由于三元流葉輪結構比較復雜，葉片存在不規(guī)則形狀，所以采用Solid187單元類型對葉輪進行有限元分析。Solid187單元是一個三維10節(jié)點固體結構單元，具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的模型（例如通過不同的CAD/CAM系統(tǒng)建立的模型），通過10個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x，y，z（笛卡爾坐標系）方向平移的自由度，單元支持塑性、超彈性、蠕變、應力剛化、大變形和大應變能力。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

設計方案中的葉輪整體進行有限元分析，設置全局單元尺寸，采用自由網(wǎng)格劃分方式進行網(wǎng)格劃分。

3）加載約束、求解

針對本研究葉輪來說，因其在運行時沿著軸線以均勻角速度旋轉，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。并通過施加角速度選項對葉輪施加慣性載荷。

4）分析結果后處理

計算求解出來的有限元分析結果根據(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行顯示。

2.2有限元分析結果

按照2.1所列出的步驟，整體單元尺寸設置為2mm，利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對原始葉輪進行分析計算，具體計算結果如圖3。

原始葉輪有限元分析結果顯示，最大von Mises應力位于葉輪“導力錐”倒角處，最大應力為657.12MPa，最大軸向位移位于葉輪進口前緣靠近葉頂處，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。綜合分析計算結果來看，葉輪應力滿足強度設計要求，因此，原始葉輪結構優(yōu)化改進的方向就是減小運行中的軸向位移和徑向位移。

3 葉輪結構優(yōu)化改進

3.1葉輪結構優(yōu)化改進方案

原始葉輪有限元分析結果表明，葉輪整體平衡性較差，導致其運行過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行效率很難通過氣動設計進一步提高的原因。本著改善葉輪整體平衡性的原則，理論上講，在葉輪輪盤側添加凸臺結構可以有效的改善葉輪運行中的整體不平衡性。本文提出了圖4中4種改進設計方案。

采取與計算原始葉輪模型相同的方法，設置整體單元尺寸為2mm，利用有限元分析軟件ANSYS對4種改進方案進行分析計算，得出4種設計方案計算結果，具體如表2所示。

表2 4種設計方案計算結果表

并對4種改進設計方案計算結果進行對比分析，綜合考慮各方面因素，得出方案1是最優(yōu)化的改進方案。其具體計算結果見圖5。

最優(yōu)化改進葉輪模型有限元分析計算結果顯示，改進后葉輪與原始葉輪模型相比，葉輪運行中的最大應力和應變大致處于相同的位置，但最大應力和應變均有一定程度上的改變。改進后葉輪最大von Mises應力為698.71MPa，滿足葉輪強度設計要求。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算結果參數(shù)與葉輪結構優(yōu)化改進后的結果參數(shù)進行對比分析，筆者發(fā)現(xiàn)，在von Mises應力都滿足葉輪強度設計要求的前提下，原始葉輪模型的軸向位移范圍大約是結構優(yōu)化改進后葉輪模型的2倍，徑向位移也較結構優(yōu)化改進后葉輪模型大。改進設計方案的計算結果驗證了改善葉輪運行中的整體不平衡性是可以實現(xiàn)的，并且軸向和徑向位移量的減小表明了本設計方案的正確性。

4 結論

本文通過利用大型通用有限元分析軟件ANSYS對原始葉輪模型進行靜力分析計算。由于輪盤部位“導力錐”的存在，發(fā)現(xiàn)其軸向位移和徑向位移均很大。導致葉輪運行中的整體不平衡性增加，進而會引起葉輪氣動效率的降低等現(xiàn)象出現(xiàn)。針對結構優(yōu)化改進之后的葉輪模型進行有限元分析計算，結果表明：凸臺結構設計的選取，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行中的整體不平衡性。同時由于在設計過程中可以精準地控制葉頂間隙的設計，可以保證漏氣損失和葉頂二次流損失在最低水平，從而提高離心風機葉輪的氣動效率。

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

4 結論

本文通過對設計參數(shù)進行選型設計，得到了機組的葉輪直徑及葉輪個數(shù)等基礎設計參數(shù)。在后續(xù)的設計中，先后對葉輪的結構、定子的結構及蝸室進行了優(yōu)化設計與分析，分析結果表明，優(yōu)化后的結構完全能夠達到各方面的要求。另外，由于機組直徑過大，使得芯子的裝拆成為了重中之重，本文中的設計完美地解決了這一難題。該壓縮機的設計成功，填補了業(yè)界空白。

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：葉輪是離心風機的核心部件，由于葉輪是高速旋轉的部件,動靜之間不能有接觸，同時動靜之間的間隙通過泄漏損失和二次流損失直接影響風機的效率。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添加凸臺結構，采用4種改進設計方案。利用通用有限元分析軟件ANSYS進行計算分析[1-3]，綜合考慮葉輪應力、應變等因素，最終得到了在新型設計方法下的最優(yōu)設計方案。結果表明，新型設計改進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)之間的間隙設計提供了依據(jù)，進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.