周 進(jìn)，謝衛(wèi)紅，王 毅

(1.中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412002； 2.中南大學(xué) 航空航天學(xué)院，湖南 長沙 410083)

0 引言

由于離心壓氣機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工藝性好及較寬的穩(wěn)定工作裕度等優(yōu)點(diǎn)，使其廣泛用于航空石化等行業(yè)流體工質(zhì)的增壓裝置，而葉輪是離心壓氣機(jī)最重要的工作元件之一，其可靠性的設(shè)計(jì)對(duì)整體燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行都有著重要的影響[1]，因此對(duì)葉輪在工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析具有重大意義。

理論以及數(shù)值計(jì)算一直是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的主要方法，但是對(duì)于高壓比離心壓氣機(jī)的葉輪來說，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且旋轉(zhuǎn)速度較高，故用理論計(jì)算方法很難準(zhǔn)確計(jì)算其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以往主要靠長期積累經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用使得數(shù)值計(jì)算方法得到了進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)今利用計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為了研究人員對(duì)產(chǎn)品分析設(shè)計(jì)的重要手段。

目前，國內(nèi)外有關(guān)離心壓氣機(jī)流場計(jì)算的文獻(xiàn)較多，其主要針對(duì)葉輪的前緣形狀、進(jìn)口導(dǎo)葉[2]以及有葉擴(kuò)壓器的形狀設(shè)計(jì)對(duì)離心壓氣機(jī)的氣動(dòng)性能的影響，但是對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算較少，相關(guān)的結(jié)構(gòu)可靠性文獻(xiàn)發(fā)表也較少。本文基于大型CAE前處理程序ANSA，根據(jù)離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立了可以準(zhǔn)確描述

離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特征的有限元模型，結(jié)合離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)的載荷環(huán)境和約束條件，通過計(jì)算得到了線彈性范圍內(nèi)的靜強(qiáng)度分析結(jié)果，并給出了相應(yīng)的分析評(píng)價(jià)。

1 研究對(duì)象

本文研究的離心壓氣機(jī)葉輪為葉盤一體式結(jié)構(gòu)，由輪盤和13組大小葉片組成，如圖1所示，葉輪轉(zhuǎn)速為27 245 r/min。

圖1 離心壓氣機(jī)葉輪三維渲染圖

該離心壓氣機(jī)葉輪使用的材料為TC11，在正常工作條件下，離心葉輪進(jìn)口溫度為20 ℃，出口溫度約為350 ℃左右，不同溫度下TC11的物理性能和力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 TC11材料的性能數(shù)據(jù)

2 強(qiáng)度分析

基于模型的循環(huán)對(duì)稱性，采用一個(gè)扇區(qū)作為計(jì)算對(duì)象。選取整體結(jié)構(gòu)的1/13，采用高階3維20節(jié)點(diǎn)Solid186六面體單元，建立了一個(gè)基本扇區(qū)的有限元模型。為了更加準(zhǔn)確地分析過渡圓角處的應(yīng)力、應(yīng)變，在相應(yīng)位置采用了相對(duì)稠密的網(wǎng)格，離心葉輪基本扇區(qū)的有限元模型如圖2所示。

對(duì)于離心壓氣機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，其承受著質(zhì)量離心力、熱載荷、葉片及前后盤腔氣動(dòng)力、盤與軸的裝配應(yīng)力以及葉盤的振動(dòng)應(yīng)力等，其中離心載荷和熱載荷占主要成分，因此，強(qiáng)度計(jì)算中只考慮了離心載荷和熱載荷。

圖2 離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)1/13扇區(qū)有限元模型

根據(jù)離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)的安裝狀態(tài)，確定其約束條件如下：①離心壓氣機(jī)圓弧端齒處施加軸向約束；②為了防止離心壓氣機(jī)產(chǎn)生剛體位移，在圓弧端齒面的某個(gè)節(jié)點(diǎn)處施加周向約束。

結(jié)合離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)載荷和約束條件的分析結(jié)論，綜合考慮其工作狀態(tài)時(shí)受到的離心載荷和熱載荷，對(duì)基本扇區(qū)有限元模型中邊界條件的施加處理為：離心載荷，工作轉(zhuǎn)速27 245 r/min施加到所有單元上；熱載荷，采用均溫350 ℃施加到所有節(jié)點(diǎn)。

圖3給出了離心葉輪表面應(yīng)力分布，可以看出，離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)在離心載荷和熱載荷耦合作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在盤心孔處，其值為633 MPa；次大應(yīng)力出現(xiàn)在輪盤后緣的過渡圓角處，其值為495 MPa，葉輪的材料為鈦合金TC11，200 ℃下其屈服強(qiáng)度為664 MPa，強(qiáng)度極限為885 MPa，最小安全系數(shù)為1.398，因此滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，在離心載荷的作用下，整個(gè)葉輪的材料均處于彈性狀態(tài)。

圖3 離心葉輪表面應(yīng)力分布

圖4給出了離心葉輪軸向和徑向變形，可以看出，離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)在離心載荷和熱載荷耦合作用下，離心壓氣機(jī)葉片前緣和尾緣徑向變形數(shù)值分別為0.425 mm和0.997 mm；離心壓氣機(jī)的最大軸向變形為0.774 mm。

圖4 離心葉輪變形分布

離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為27 245 r/min，若保證10%的裕度，要求共振點(diǎn)不在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內(nèi)。離心葉輪后方有徑向擴(kuò)壓器葉片19片，擴(kuò)壓器葉片所產(chǎn)生的氣流激勵(lì)與氣流畸變是可能導(dǎo)致離心壓氣機(jī)葉片共振的主要激振源，根據(jù)其引起的19倍轉(zhuǎn)速激振，同時(shí)考慮機(jī)匣等靜子部件有可能存在加工偏差所引起的1倍、2倍、3倍轉(zhuǎn)速激振，獲得的離心壓氣機(jī)大葉片和小葉片振動(dòng)特性如圖5所示。由圖5可以看出，大葉片在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內(nèi)不存在共振點(diǎn)，小葉片共振危險(xiǎn)點(diǎn)為葉片5階固有頻率線與19倍轉(zhuǎn)速線的交點(diǎn)，然而5倍頻下振動(dòng)能量相對(duì)較小，因此，小葉片振動(dòng)同樣滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

基于CAE分析軟件，建立可以準(zhǔn)確描述離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)特征的有限元模型，結(jié)合離心壓氣機(jī)葉盤結(jié)構(gòu)的載荷環(huán)境和約束條件，通過計(jì)算得到了線彈性范圍內(nèi)的靜強(qiáng)度分析結(jié)果，獲得以下主要結(jié)論：

(1) 鈦合金TC11離心葉輪200 ℃下其屈服強(qiáng)度為664 MPa，強(qiáng)度極限為885 MPa，最小安全系數(shù)為1.398，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

(2) 大葉片在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內(nèi)不存在共振點(diǎn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3) 小葉片共振危險(xiǎn)點(diǎn)為葉片5階固有頻率線與19倍轉(zhuǎn)速線的交點(diǎn)，然而5倍頻下振動(dòng)能量相對(duì)較小，小葉片振動(dòng)也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 離心壓氣機(jī)葉片坎貝爾圖

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang Y,Wang H,Zhang X,et al.Strength analysis on stamping and welding impeller in centrifugal pump based on fluid-structure interaction theorem[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2011,27(3):131-136.

[2] Tan L，Cao SL，Gui SB.Hydraulic design and pre-whirl regulation law of inlet guide vane for centrifugal pump[J].SCIENCE CHINA Technological Science,2010,53(8):2142-2151.