基于Workbench 的離心葉輪結構優化設計

靳亞峰，范小平，趙先波，羅方，覃小文

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

能源裝備企業肩負著國家能源轉型發展的使命與擔當，儲能是公司落實國家“雙碳”政策，推動科技創新、產業轉型而重點發展的新型產業。二氧化碳由于其工質密度大，存儲成本低；容量大、儲能時間長、安全可靠；系統建設選址對地理條件無特殊要求等特點，是一種比較理想的壓縮氣體儲能方式，所以二氧化碳儲能是公司儲能產業發展的優先方向。

葉輪是離心式壓縮機級中唯一對氣體做功、使氣體獲得能量的元件，其性能對壓縮機整級性能有著至關重要的影響[1]。大型離心式壓縮機是衡量一個國家裝備制造業發展水平的標志性設備之一[2]。葉輪的安全性和葉輪與轉子之間的接觸狀態直接影響整個機組的安全性。國內外對壓縮機葉輪強度分析和結構優化的研究很多，Ramamurti 等通過循環對稱方法，對渦輪增壓器中的離心葉輪用簡化模型有限元方法進行了應力分析[3]，揚陽等應用ANSYS 對某壓縮機半開式葉輪進行了應力分析和模態分析[4]。

本文以某二氧化碳儲能項目的基本級葉輪為研究對象，由于該項目壓比大，對應的能量頭較大，葉輪的外徑大，需要選用相對較高的葉輪線速度。運用大型有限元分析軟件Workbench 對葉輪的強度和葉輪與轉子的接觸進行分析，并探討影響離心式壓縮機葉輪安全性的主要因素，為后期葉輪結構優化提供指導性建議。

1 有限元模型的建立和計算邊界條件

本文研究的葉輪為閉式三元葉輪。葉輪和轉子材料均為合金鋼，材料的物理屬性見表1。

表1 葉輪和轉子材料的物理屬性

本文采用NREC 軟件對葉輪造型，導入Pro-e進行輪盤的結構設計。葉輪三維模型如圖1 所示。

圖1 葉輪三維模型

本機組的裝配方式為紅套，葉輪和轉子過盈配合，機組為定速運行的壓縮機機組。本文對工作狀態下的葉輪應力情況進行分析，研究葉輪幾個重要的結構設計尺寸對葉輪應力的影響。

2 網格無關性論證

網格質量直接影響到有限元的分析結果，用Workbench 對單扇區葉輪進行網格劃分，首先進行了網格無關性論證，分別對葉輪和轉子進行2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm 的網格劃分，對局部倒圓角和葉輪進氣邊進行網格細化，網格尺寸為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm，發現葉輪網格尺寸控制在4 mm、轉子網格尺寸控制在6 mm，倒圓角網格尺寸控制在1 mm，強度分析結果趨于穩定，進一步細化網格，對結果影響不大。葉輪網格劃分如圖2 所示，此時單扇區的網格數在5萬左右。

圖2 葉輪網格劃分圖

3 結構優化設計

考慮到機組的氣動性能，葉輪結構優化暫不對葉片成型規律進行改變，避免葉輪內部流道變化引起氣動性能的變化，結構優化主要包括以下幾個方面：葉片的厚度、葉片根頂部倒角、輪轂的結構尺寸、導流錐的結構尺寸、葉輪與轉子接觸面的軸向長度。

離心葉輪的結構設計，首先要根據葉輪外徑尺寸確定葉片厚度和根頂部倒圓角的大致范圍，再進一步進行結構設計的細節優化。本文首先對葉片厚度和根頂部倒圓角對應力的影響進行評估，分析結果如圖3 所示。由圖3 得知，葉片厚度增加，葉輪的剛性增強，整個葉輪的應力呈下降趨勢。根頂部圓角增加也會降低葉輪應力。

圖3 葉片厚度和根頂部圓角對應力的影響

工程實際中，葉片厚度和倒角過大不僅會影響整個流道的通流面積，而且會增加葉輪重量，從而影響到轉子的強度振動。因此，葉輪結構設計一般會綜合考慮氣動性能、葉輪強度、轉子強度，選取結構相對合理的葉片厚度和根頂部倒角。此級葉輪選取葉片厚度為4 mm，倒圓角為3 mm。

進一步對二氧化碳儲能項目葉輪的輪轂、導流錐、葉輪與轉子接觸面軸向長度進行結構設計，三維有限元分析結果如圖4 所示。

圖4 優化前葉輪的三維分析結果

由圖4 分析結果可以看出，目前的葉輪結構設計中葉輪倒圓角部位局部應力接近材料的屈服強度，且葉輪和轉子在工作狀態下有前傾趨勢。究其原因，可能是口圈位置導流錐尺寸太大，葉輪質心靠近入口位置，導致葉輪在工作狀態下有前傾趨勢。

為了改善葉輪和轉子的接觸狀態，進一步對二氧化碳儲能項目葉輪的輪轂、導流錐、葉輪與轉子接觸面軸向長度進行結構優化設計。根據三維分析結果，將導流錐的尺寸適當減小，同時加大輪轂位置的傾角，增大輪轂厚度，調整葉輪的質心位置。結構尺寸改動示意圖如圖5 所示。

圖5 葉輪主要優化結構尺寸示意圖

對優化后的葉輪進行三維建模，重新評估葉輪的強度。三維分析結果如圖6 所示。

圖6 優化后葉輪的三維分析結果

由分析結果可以看出，優化后的葉輪結構最大應力在葉輪倒圓角部位，局部應力有明顯下降。與優化前相比，在工作狀態下葉輪和轉子的接觸狀態良好。

4 結論

本文在保證氣動性能不變的情況下，運用大型有限元分析軟件Workbench 對葉輪的強度和葉輪與轉子的接觸狀態進行了分析。研究表明葉片厚度、根頂部圓角的適當增大會降低葉輪的應力。通過調整輪轂的結構尺寸、導流錐的結構尺寸、葉輪與轉子接觸面的軸向長度，改變葉輪質心的位置，不僅可以改善葉輪和轉子之間的接觸狀態，也可以有效降低葉輪的應力。