h100kW壓氣機離心葉輪優(yōu)化設(shè)計

脫燁/中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司

h100kW壓氣機離心葉輪優(yōu)化設(shè)計

脫燁/中航工業(yè)哈爾濱東安發(fā)動機（集團）有限公司

通過對設(shè)計的100kW壓氣機離心葉輪進行強度校核時，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)和強度都存在一定的問題。我們采用在輪盤背部挖導(dǎo)力錐和調(diào)整離心葉輪中心與葉輪支撐中心相對位置的方法，來降低葉輪強度。又改變其原有的結(jié)構(gòu)形式和材料。對優(yōu)化后的設(shè)計分別進行靜強度和動強度分析。優(yōu)化后的設(shè)計能夠滿足結(jié)構(gòu)和強度要求。

離心葉輪；導(dǎo)力錐；強度分析；模態(tài)分析

一、緒論

100kW壓氣機是“十一五”國家863計劃微型燃氣輪機重點項目“100kW級微型燃氣輪機及其供能系統(tǒng)”的主要研究內(nèi)容之一。其設(shè)計要求是，離心壓氣機流量為1.12kg/s，增壓比為3.34，效率不低于77%，并要滿足一定的喘振裕度。在驗證100kW壓氣機離心葉輪能否安全可靠運行的時候，發(fā)現(xiàn)其在工作轉(zhuǎn)速（45000rpm）和超轉(zhuǎn)速（54000rpm）下，結(jié)構(gòu)與強度都存在一定的問題。因此我們對離心葉輪進行了一系列的優(yōu)化，對每一種優(yōu)化都做了強度與可靠性的分析計算，得出最終的設(shè)計方案。

二、最初設(shè)計的100kW壓氣機離心葉輪

最初設(shè)計的100kW壓氣機離心葉輪的結(jié)構(gòu)形式是葉輪的內(nèi)孔裝有軸套，并采用過盈形式裝配。在葉輪的前后端面分別用銷子固定住葉輪與軸套。葉輪材料為2618A，軸套為 40CrNi M oA，銷子為38CrA，通過強度計算，得到葉輪最大應(yīng)力（745.3M Pa）遠大于其屈服極限（340M Pa）和斷裂極限（410M Pa）。葉輪軸套孔與軸套脫開，不能滿足工作要求。我們需要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

三、分析影響離心葉輪強度的因素

從計算結(jié)果看，在葉輪與軸套配合處加銷子的做法意義不大。因為葉輪與軸套的材料不同，在受離心載荷作用下，葉輪的變形量遠大于軸套的變形量，配合的過盈量又不夠，工作時銷子受較大的剪切力，容易被剪斷。且在銷孔處有很大的應(yīng)力集中，葉輪將被破壞。所以我們要取消銷子的結(jié)構(gòu)。

離心葉輪采用的材料是鋁合金2618A，在超轉(zhuǎn)速試驗時最大等效應(yīng)力計算值大于材料許用應(yīng)力值，材料強度不能夠滿足要求。

葉輪流道是經(jīng)過氣動設(shè)計確定的，葉片形式不能更改，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化的焦點就放在輪盤上。我們從改變?nèi)~輪質(zhì)心著手，通過在輪盤背部挖“導(dǎo)力錐”的方法改進葉輪輪盤結(jié)構(gòu)降低葉輪應(yīng)力。

基于離心葉輪的輪轂形狀和葉片形式（有11個長葉片和11個短葉片）使得葉輪的質(zhì)心位置偏向后端。所以我們想到在輪盤背部挖“導(dǎo)力錐”使質(zhì)心位置前移。這樣可以將離心應(yīng)力引導(dǎo)向前，使輪盤前端材料也承擔(dān)拉壓應(yīng)力。我們嘗試了多種挖導(dǎo)力錐的方法，使質(zhì)心在盡量前移的同時，葉輪的整體強度還能滿足要求。我們對多種嘗試的模型進行計算，得到的結(jié)果中，最為滿意的是：葉輪最大應(yīng)力為393.9M Pa，位置在輪盤凸臺倒角處。葉輪軸套孔最大徑向位移為0.081m m，位置在軸套孔內(nèi)表面。葉輪位移最大值為0.772m m，位置在輪盤外緣。此時葉輪的質(zhì)心為比原來的3m m，即葉輪的質(zhì)心向輪盤支撐部分的中心靠近了。

由計算結(jié)果看出，在輪盤背部挖導(dǎo)力錐確實降低了葉輪應(yīng)力，但葉輪所受的最大應(yīng)力仍然大于材料的屈服極限。且葉輪軸套孔的徑向位移量仍然很大，在超轉(zhuǎn)試驗時，葉輪與軸套依然存在脫開的可能。

挖導(dǎo)力錐使葉輪質(zhì)量減小的因素不可忽略，而且僅僅挖導(dǎo)力錐改變?nèi)~輪質(zhì)心的幅度太小，很難清晰看出單純改變?nèi)~輪質(zhì)心與輪盤支撐中心相對位置的效果。所以調(diào)整輪盤支撐部分結(jié)構(gòu)是另一種改進輪盤的方法，其思路是改變支撐中心坐標，達到支撐中心靠近葉輪質(zhì)心的目的。這種想法頗具逆向思維的風(fēng)格，在不減小質(zhì)量的前提下，極大的縮小質(zhì)心與葉輪支撐中心的距離，并且排除了質(zhì)量變化對葉輪應(yīng)力的影響。將輪盤背部挖掉的部分補到輪盤前端的輪盤型線上。

四、改進優(yōu)化后的離心葉輪

對原葉輪結(jié)構(gòu)做了一系列的改進，包括取消銷子結(jié)構(gòu)、在輪盤背部挖導(dǎo)力錐、調(diào)整輪盤支撐部分結(jié)構(gòu)等。這些改進都有效的降低了葉輪應(yīng)力，但由于材料不同，離心葉輪的變形量遠遠大于軸套的變形量。考慮到裝配時的可行性，二者之間的過盈量又不能太大。所以在高轉(zhuǎn)速工作條件下，葉輪與軸套有脫開的可能。

綜上考慮，我們將取消軸套的結(jié)構(gòu)，使葉輪與軸套成為一體。原葉輪的材料是鋁合金，軸套的材料是不銹鋼。二者合二為一后，選用了鈦合金作為整個離心葉輪的材料。

對整體式的葉輪進行強度計算，得到的最大應(yīng)力及變形量均能滿足設(shè)計要求。

五、結(jié)論

通過對原設(shè)計的100kW壓氣機離心葉輪的強度進行分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)存在一定的問題，不能滿足強度可靠性要求所以需要我們對其結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化。由于葉片形式是由氣動設(shè)計給出的，不能改變，那么改進的焦點就放在葉輪的輪盤上。

我們采用調(diào)整葉輪質(zhì)心與輪盤支撐中心的方法，對葉輪進行改進。在葉輪背部挖導(dǎo)力錐，將去掉的質(zhì)量加到輪盤前端的輪盤型線上，使支撐中心靠近葉輪質(zhì)心。我們嘗試了多種方案，進行了計算。通過計算的結(jié)果看，我們采取的方法是可行有效的，大大的降低了葉輪的應(yīng)力。但其受到的最大應(yīng)力仍然大于材料的屈服極限，且葉輪與軸套在工作中有脫開的危險。所以我們?nèi)∠N子和軸套將葉輪設(shè)計成整體式的。選用的材料通過比較最終確定為鈦合金。對改進后的葉輪在工作轉(zhuǎn)速和超轉(zhuǎn)速下分別做了強度計算，分析其應(yīng)力和變形。又對葉輪和葉片分別做了模態(tài)分析，最后得出結(jié)論，改進后的葉輪在靜強度和動強度方面都滿足設(shè)計要求。

【1】童榴生，離心式壓縮機葉輪的結(jié)構(gòu)與應(yīng)力，風(fēng)機技術(shù)1998.

【2】席光，郭常青，離心葉輪的應(yīng)力數(shù)值分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，流體機械2004.

【3】徐芝綸、彈性力學(xué).北京：人民教育出版社，1979.

【4】宋永，精通ANSYS7.0有限元分析.清華大學(xué)出版社，2003.