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基于Solidworks软件的闭式叶轮强度分析

发表时间: 2017/8/23 作者: 张同桐*何奕为*党冰洁*王彤 来源: 互联网
在不改变气动参数的前提下,本文通过对一个带有17个叶片的闭式离心叶轮造型,分析了在实际工况下叶轮表面的von Mises应力分布,发现在叶片进口边,尤其是叶顶和叶根位置应力最大。为了减小叶轮局部位置上最大von Mises应力,分别对叶片与轮盘、轮盖的连接处倒圆进行了分析。进一步对轮盘与轮盖的几何结构重新设计,分析结果证明盘侧厚度增加有助于提高叶轮强度。通过整体叶轮外形改进,叶片进口处的应力集中现象得到大幅度改善。
 

    0 引言

    离心压缩机广泛应用于石油、化工和冶金等领域。旋转叶轮是离心压缩机的核心部件,其机械结构与气动性能对压缩机稳定运行起到决定性作用。另外压缩工质所获取的全部能量通过叶轮高速旋转进行转化,叶轮不但受到离心惯性力作用,而且受到气动力产生的压力载荷、热应力作用,同时还可能受到流场激振力产生的交变载荷作用,因此叶轮的强度需要在设计阶段就进行细致分析。

    有限元方法运用离散的概念,把整个求解域离散成为有限个分段连续的单元,在每个单元内应用变分原理,将描述原问题的微分方程组转化为代数方程组,联立求得原问题的数值解。随着单元数目的增加,或者插值函数精度的提高,解的近似程度将不断改进。对于旋转叶轮的强度,早在上世纪70~80 年代就有针对单个叶片结构的分析。由于离心叶轮结构和模型相对固定,现在已经有商用软件对强度和变形进行限元分析,如ANSYS、ABAQUS、NX、Solidworks 等等。早在1970 年的Barten到近几年的张小龙等、Grigoriev等人都曾使用限元方法对离心叶轮进行分析,研究角度也从结构的可靠性验证发展到振动、噪声等领域。相对而言,Solidworks 经过叶轮实体建模后可以自动生成网格和控制局部加密,快速得到叶轮强度和变形的计算结果,更适用于工程实际的应用。另外,根据von Mises屈服准则,可以采用von Mises 等效应力来衡量应力水平,这进一步简化了计算分析过程。

    本文采用Solidworks 软件进行叶轮von Mises 等效应力分析,由于叶轮流道内部参数决定气动性能,为了改善叶轮等效应力分布,只能对其外形进行修改。因此,本文重点分析了叶顶、叶根倒圆、轮盖和轮盘的型线及其厚度对于最大von Mises 应力的影响,尤其是说明了此类叶轮轮盘结构的改进方向,尽量使其满足强度设计要求。

    1 离心叶轮建模

    1.1 叶轮模型

    根据某公司多级离心压缩机产品中某级闭式叶轮作为研究对象,叶轮结构参数如表1所示。从表1 数据可见,叶轮盘盖采用等厚分布形式,厚度相对于叶轮直径不到1%。采用Solidworks 软件进行叶轮建模与网格划分,如图1所示。由于叶轮盘盖为薄壁结构,在整个叶轮尺寸最小的轮盘以及轮盖边缘最少设置一个单元格,同时根据叶片根部、顶部厚度以及其周向长度调整参数进行局部加密且均匀分布。图1为不同网格数下,叶轮上叶片顶部von Mises 等效应力最大值的变化。以该参数为确定整个叶轮上网格数的基准,随着网格数的增加,叶顶应力最大值逐渐增加,当网格单元数大于8万时,该参数逐渐趋于稳定。本文进行网格划分时,考虑到计算时间和计算精度需要,叶轮以及叶片加密部位网格Solidworks 采用的四面体结构,共生成134183个网格单元、236523个节点。

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    2.2 叶轮约束以及载荷条件

    叶轮材料为ANSI 4330,屈服强度约620MPa。相对于该叶轮运转时的气动参数,高速旋转下的离心惯性力作用以及轴孔过盈配合所产生的预紧力是影响叶轮应力和变形的主要因素。

    该叶轮是热套在转轴上的,故在叶轮轴孔(即受力支撑面)处选择对圆柱面分别施加周向以及轴向固定约束,同时整体结构施加由叶轮旋转所带来的离心惯性力载荷。叶轮与转轴存在一定的过盈配合,由于直接模拟预紧力较困难故需对其进行简化,有限元分析中施加的预紧力是由对静止时叶轮与转轴的冷缩配合模拟出的结果与旋转引起的离心力之差求得。考虑到一般工质气体压力大都低于20MPa,对于屈服强度为618MPa 的材料而言,影响相对较小,因此本文在数值模拟中忽略了气体压力的作用。

    3 模型初始结果

    von Mises 等效应力计算结果如图2所示。很明显,由于叶轮轮盘和轮盖很薄,在叶片进口的叶顶和叶根处,等效应力水平大大超出了材料的屈服极限。在叶片进口位置,极易发生材料疲劳和断裂,需要对原始设计进行结构改进。

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    图2 叶轮von Mises等效应力云图与叶片进口边等效应力

    从图3(b)和图3(c)可见,初始叶轮模型中,叶片与轮盘、轮盖间无倒圆,全部是直角联接。

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    图3 叶轮以及叶片加密部位网格密度

    4 叶轮结构改进分析

    在叶轮流道参数不能修改的前提下,仅能修改叶轮的外形参数。由于叶轮最大应力位置在叶片进口叶顶和叶根处,可考虑改变叶片连接部位的圆角半径以及轮盘、轮盖的几何形状等方法解决叶轮高von Mises等效应力问题。




责任编辑:郝秋红