王增貴

（新聞出版廣電總局六五四臺 831100）

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

離心式通風(fēng)機；葉輪；動應(yīng)力；測量

葉輪機械中，葉輪是最為關(guān)鍵的部件，其性能好壞直接關(guān)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(fēng)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(dǎo)致計算誤差一般較大，所以有關(guān)葉輪失效的事故時有發(fā)生。研究表明，大型離心通風(fēng)機葉輪由交變應(yīng)力引起的高周疲勞斷裂是其主要斷裂形式，而葉輪內(nèi)部的非定常流是引起交變應(yīng)力的主要因素。

1 離心式通風(fēng)機葉輪動應(yīng)力特性的模態(tài)分析過程與結(jié)果分析

模態(tài)分析是用來計算結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型分布的，如果葉輪結(jié)構(gòu)的固有頻率與工作的旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的破壞。因此，在設(shè)計過程中，必須進行模態(tài)分析。

進行模態(tài)分析時，假設(shè)葉輪結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力效應(yīng)，因為在載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)可能會影響自身的固有頻率。在求解預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的過程中，ANSYS程序內(nèi)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(yīng)力狀考慮應(yīng)力硬化矩陣，然后求解預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)上，因此振型只是與自由振動相關(guān)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(jié)構(gòu)離散化模型較好的假設(shè)模態(tài)矩陣，它所張成的模態(tài)空間能有效地逼近結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力效應(yīng)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(yù)應(yīng)力效應(yīng)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(jié)果見表1。

由表1中的數(shù)據(jù)可知：

（1）預(yù)應(yīng)力對葉輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的固有頻率主要還是由葉輪自身物理屬性和結(jié)構(gòu)分布來決定的。

表1 葉輪的固有頻率

（2）葉輪結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力對葉輪結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的固有頻率有重頻現(xiàn)象，這是因為從結(jié)構(gòu)上來講葉輪是循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)。

2 離心式通風(fēng)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(chǎn)生振動。當(dāng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)振動對流體邊界的影響；②通過結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(fēng)機非定常模擬結(jié)果與分析

首先對風(fēng)機進行定常流動數(shù)值模擬，然后以這個定常結(jié)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(biāo)準免模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。將葉輪旋轉(zhuǎn)一周分成360個時間步，即將時間步長設(shè)定為1.149×10-4S，設(shè)定風(fēng)機入口邊界條件為速度入口，出口邊界條件為壓力出口，風(fēng)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(zhuǎn)區(qū)域（葉輪）的交界面釆用瞬態(tài)轉(zhuǎn)子-靜子（Transient Rotor-stator）模型，風(fēng)機各個部分之間采用GGI方法進行連接。

在風(fēng)機穩(wěn)定運行工況內(nèi)，取三個流量（分別為0.84、1.0和1.16倍的設(shè)計流量）進行非定常數(shù)值模擬，其中設(shè)計工況下風(fēng)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(nèi)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(cè)，與點6X、Y坐標(biāo)相同、Z坐標(biāo)不相同點。

2.2 葉輪振動特性分析

由上述模擬的結(jié)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?qū)⑿纬删植抗舱?，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(yīng)力都較小，且等效應(yīng)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(jié)語

綜上所述，通過對離心式通風(fēng)也機輪動應(yīng)力的測量更加真實的反應(yīng)實際情況，從而得到鋼架準確的結(jié)果，保障離心式通風(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)機葉輪的三維應(yīng)力計算[J].風(fēng)機技術(shù)，2001（2）：25～28.

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2016-4-20