高壓比葉輪在單級高速離心鼓風機上的應用分析

代彬

摘 要：對COK40080葉輪模化計算分析，明確了葉輪在壓比超過3.0，馬赫數超過1.4時的應用具有安全可靠的性能，提出了高壓比葉輪離心鼓風機的市場優勢，實現了高壓比葉輪在單級高速離心鼓風機上的應用。

關鍵詞：離心鼓風機;超高壓比;建模分析

1 緒論

離心鼓風機是許多工業企業生產的核心設備。近年來，隨著國內外工業的發展和生產工藝的進步，傳統工業的生產工藝進行了升級和優化。比如冶金，制藥，化工污水，硫磺回收及丙烯酸等領域對鼓風機性能的要求不斷提高。長期以來，壓比在3.0-3.5左右的情況下，國內風機廠商均提供的D型多級離心鼓風機或兩級組裝式壓縮機。這兩種形式的風機相對于單級高速離心鼓風機而言，體積大，價格高，效率低。因此，利用高壓比葉輪實現壓比超過3.0，馬赫數超過1.4制造單級高速離心鼓風機成為近年來風機行業努力攻克的課題。

在低壓比的離心葉輪內，其相對馬赫數是亞音速或高亞音速，離心鼓風機工作范圍寬，而對于高壓比葉輪，其入口馬赫數為超音速，在給定的轉速條件下，可工作的范圍很窄，喘振流量和阻塞流量范圍相當有限。由于激波與邊界層的相互作用誘導邊界層分離，激波與間隙渦的相互作用導致渦核破裂，將使鼓風機的性能惡化，流動的物性比低壓比葉輪流道復雜的多。[1]同時，由于高壓比葉輪線速度高，對葉輪的材料的強度和變形量也有更高的要求。因此，在實際應用高壓比葉輪前，要對該葉輪進行建模有限元分析和轉子穩定性分析。

2 分析對象

本文以某化工廠污水項目所用的高壓比三元半開式葉輪（COK40080）為研究對象。其幾何尺寸及性能參數如下：

COK40080 葉輪外徑Φ320mm，葉片數15片，模型級流量系數0.086，最高馬赫數1.43。葉輪材料為FV520B-1，彈性模量200GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，屈服極限1029MPa。介質為空氣，風機流量：165Nm3/min，工作溫度25℃，入口壓力99kpaA，出口壓力300kpaA，工作轉速 27813 r/min。

3 分析方法

本文選用的葉輪用UG軟件進行建模設計，運用ANSYS軟件做合理的有限元離散并建立有限元計算模型。[2]分析其材料的強度和變形;再通過RBSP軟件進行轉子穩定性分析，保證符合JB/T7258標準的相關規定。

4 分析結果的確認

4.1 強度分析

在工作轉速下 COK40080 葉輪的強度分析結果如下圖所示，其最大等效應力值為775MPa，小于材料屈服極限，葉輪強度滿足設計要求。

COK40080 葉輪工作轉速下應力云圖

4.2 COK40080 葉輪在工作轉速下變形分析結果

4.2.1 葉輪的徑向軸向變形

鼓風機的氣動性對葉輪的型環間隙的要求非常高，介質經葉輪做功后壓力和溫度都得到了提高，如果型環間隙值過大，介質將會大量的從葉輪出口高壓高溫區域倒流回入口低壓低溫區域，使入口溫度升高，造成的內泄露損失既降低了氣動性能效率，又使得出口壓力不足，甚至引發連鎖停機;如果型環間隙過小，葉輪運轉產生的彈性形變會刮碰到蝸殼內的部件，及可能破壞流道及轉子系統，嚴重時將產生安全事故。

離心鼓風機葉輪與型環徑向間隙設計值為0.45-0.55mm;軸向間隙設計值為0.85-0.95mm（最小值）;在實際工作轉速下，葉輪的進口徑向變形值為0.022mm;出口軸向變形值為0.578mm。均小于設計值。

4.2.2 葉輪軸孔變形

葉輪裝配時，隨著葉輪高速旋轉，裝配過贏量過小，葉輪軸孔尾端高溫變形時會產生間隙，引發葉輪振動;裝配過贏量過大，不便于葉輪的拆裝。按照鼓風機設計標準，離心鼓風機葉輪與軸裝配的過盈量設計為2.5‰，經有限元分析，該葉輪的軸孔徑向尾端變形值為 0.0479mm（半徑值），葉輪尾端軸徑設計值為50mm，根據過盈量的計算公式：過盈量=直徑的變形量最小軸徑，計算出實際過盈量為1.92‰，小于設計值。

因此葉輪在高速旋轉時主要部位的變形量滿足設計要求。

4.3 轉子穩定性分析

4.4 氣動計算的結果確認

通過氣動計算，風機氣動功率為520kW，出口溫度167℃，多變效率83%。壓比3.04，出口壓力滿足工況要求。

5 高壓比葉輪的優勢

（1）壓比3.0以上時采用整體撬裝單級高速離心鼓風機，具有生產成本低，占地面積小，結構緊湊，安裝成本少等優勢。

（2）提高了整機效率，比傳統D型多級鼓風機或兩級組裝壓縮機效率提高10%左右，高效節能。

6 結論

本文通過對COK40080葉輪在實際生產中的計算分析，明確了該葉輪在壓比超過3.0時的應用具有安全可靠的性能，實現了高壓比葉輪在單級高速離心鼓風機上的應用。為日益升級的工業生產提供了一種效率更高，造價更低，結構更緊湊，性能更可靠的單級高速離心鼓風機設備。

參考文獻：

[1]康順，劉強，祁明旭.工程熱物理學報[M].2005，26（3）.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.