高壓比離心壓氣機葉輪強度分析研究

周 進，謝衛紅，王 毅

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

0 引言

由于離心壓氣機具有結構緊湊、壓比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工藝性好及較寬的穩定工作裕度等優點，使其廣泛用于航空石化等行業流體工質的增壓裝置，而葉輪是離心壓氣機最重要的工作元件之一，其可靠性的設計對整體燃氣輪機的安全運行都有著重要的影響[1]，因此對葉輪在工作狀態下的結構強度分析具有重大意義。

理論以及數值計算一直是對機械設備進行結構強度分析的主要方法，但是對于高壓比離心壓氣機的葉輪來說，其結構復雜并且旋轉速度較高，故用理論計算方法很難準確計算其結構強度，以往主要靠長期積累經驗進行相應設計，而計算機技術的應用使得數值計算方法得到了進一步發展，當今利用計算機已經成為了研究人員對產品分析設計的重要手段。

目前，國內外有關離心壓氣機流場計算的文獻較多，其主要針對葉輪的前緣形狀、進口導葉[2]以及有葉擴壓器的形狀設計對離心壓氣機的氣動性能的影響，但是對葉輪的結構強度計算較少，相關的結構可靠性文獻發表也較少。本文基于大型CAE前處理程序ANSA，根據離心壓氣機結構設計方案，建立了可以準確描述

離心壓氣機葉盤結構特征和力學特征的有限元模型，結合離心壓氣機葉盤結構的載荷環境和約束條件，通過計算得到了線彈性范圍內的靜強度分析結果，并給出了相應的分析評價。

1 研究對象

本文研究的離心壓氣機葉輪為葉盤一體式結構，由輪盤和13組大小葉片組成，如圖1所示，葉輪轉速為27 245 r/min。

圖1 離心壓氣機葉輪三維渲染圖

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

表1 TC11材料的性能數據

2 強度分析

基于模型的循環對稱性，采用一個扇區作為計算對象。選取整體結構的1/13，采用高階3維20節點Solid186六面體單元，建立了一個基本扇區的有限元模型。為了更加準確地分析過渡圓角處的應力、應變，在相應位置采用了相對稠密的網格，離心葉輪基本扇區的有限元模型如圖2所示。

對于離心壓氣機葉輪結構，其承受著質量離心力、熱載荷、葉片及前后盤腔氣動力、盤與軸的裝配應力以及葉盤的振動應力等，其中離心載荷和熱載荷占主要成分，因此，強度計算中只考慮了離心載荷和熱載荷。

圖2 離心壓氣機葉盤結構1/13扇區有限元模型

根據離心壓氣機葉盤結構的安裝狀態，確定其約束條件如下：①離心壓氣機圓弧端齒處施加軸向約束；②為了防止離心壓氣機產生剛體位移，在圓弧端齒面的某個節點處施加周向約束。

結合離心壓氣機葉盤結構載荷和約束條件的分析結論，綜合考慮其工作狀態時受到的離心載荷和熱載荷，對基本扇區有限元模型中邊界條件的施加處理為：離心載荷，工作轉速27 245 r/min施加到所有單元上；熱載荷，采用均溫350 ℃施加到所有節點。

圖3給出了離心葉輪表面應力分布，可以看出，離心壓氣機葉盤結構在離心載荷和熱載荷耦合作用下，最大應力發生在盤心孔處，其值為633 MPa；次大應力出現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 ℃下其屈服強度為664 MPa，強度極限為885 MPa，最小安全系數為1.398，因此滿足強度設計要求，在離心載荷的作用下，整個葉輪的材料均處于彈性狀態。

圖3 離心葉輪表面應力分布

圖4給出了離心葉輪軸向和徑向變形，可以看出，離心壓氣機結構在離心載荷和熱載荷耦合作用下，離心壓氣機葉片前緣和尾緣徑向變形數值分別為0.425 mm和0.997 mm；離心壓氣機的最大軸向變形為0.774 mm。

圖4 離心葉輪變形分布

離心壓氣機設計轉速為27 245 r/min，若保證10%的裕度，要求共振點不在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內。離心葉輪后方有徑向擴壓器葉片19片，擴壓器葉片所產生的氣流激勵與氣流畸變是可能導致離心壓氣機葉片共振的主要激振源，根據其引起的19倍轉速激振，同時考慮機匣等靜子部件有可能存在加工偏差所引起的1倍、2倍、3倍轉速激振，獲得的離心壓氣機大葉片和小葉片振動特性如圖5所示。由圖5可以看出，大葉片在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內不存在共振點，小葉片共振危險點為葉片5階固有頻率線與19倍轉速線的交點，然而5倍頻下振動能量相對較小，因此，小葉片振動同樣滿足設計要求。

3 結論

基于CAE分析軟件，建立可以準確描述離心壓氣機葉盤結構特征和力學特征的有限元模型，結合離心壓氣機葉盤結構的載荷環境和約束條件，通過計算得到了線彈性范圍內的靜強度分析結果，獲得以下主要結論：

(1) 鈦合金TC11離心葉輪200 ℃下其屈服強度為664 MPa，強度極限為885 MPa，最小安全系數為1.398，滿足強度設計要求。

(2) 大葉片在24 520 r/min～29 970 r/min范圍內不存在共振點，滿足設計要求。

(3) 小葉片共振危險點為葉片5階固有頻率線與19倍轉速線的交點，然而5倍頻下振動能量相對較小，小葉片振動也滿足設計要求。

圖5 離心壓氣機葉片坎貝爾圖

參考文獻：

[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.