變厚度葉片對離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能的影響

變厚度葉片對離心壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和性能的影響

2011年10月28日。離心壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊、工藝性好及可靠性高,在國民經(jīng)濟(jì)各部門中占有重要地位.目前,離心壓縮機(jī)向大流量、高壓比和高效率方向發(fā)展,但是機(jī)組的大型化也給設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行壽命和可靠性評估等帶來了一系列問題,尤其是運(yùn)行安全隱患顯得較為突出.葉輪是離心壓縮機(jī)及百萬千瓦級(jí)核主泵等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的核心部件,其性能直接影響到運(yùn)行的安全性與可靠性.特別對大型核主泵,結(jié)構(gòu)更龐大,且要求其在大流量、高溫、高壓、高輻射環(huán)境中具有優(yōu)秀的水力特性和超長使役壽命,這對離心旋轉(zhuǎn)葉輪的設(shè)計(jì)提出了新的要求和挑戰(zhàn).迄今為止,國內(nèi)外關(guān)于離心壓縮機(jī)流場計(jì)算的文獻(xiàn)較多,主要的研究方向包括葉片前緣形狀、葉頂間隙及進(jìn)口導(dǎo)葉等因素對葉輪氣動(dòng)性能的影響,但是研究葉片厚度分布對葉輪性能影響的文獻(xiàn)少見.即使研究葉輪強(qiáng)度的文獻(xiàn)也主要以輪盤形狀優(yōu)化為研究方向,而關(guān)于葉片形狀方面的文獻(xiàn)未見報(bào)道.變厚度葉片研究文獻(xiàn)很少,首先是因?yàn)槿~片厚度的改變對葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和氣動(dòng)性能的影響較復(fù)雜,因而實(shí)際設(shè)計(jì)制造的大流量壓縮機(jī)三元葉輪主要采用等厚度葉片;其次考慮到技術(shù)專利等因素,針對壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性的核心技術(shù)資料罕有發(fā)表.本文以國內(nèi)某大流量離心壓縮機(jī)首級(jí)葉輪為原型,針對應(yīng)用較廣的等厚度葉片的閉式葉輪,提出變厚度葉片的閉式葉輪的設(shè)計(jì)思想.在原始葉型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,運(yùn)用CAD軟件Solidworks進(jìn)行9種變厚度葉片的葉輪模型的建立,使用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行葉輪靜態(tài)應(yīng)力分析,利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX進(jìn)行葉輪內(nèi)部流場分析,集中討論變厚度葉片的閉式葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與氣動(dòng)性能的變化規(guī)律,以期為大流量離心壓縮機(jī)及大型核主泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù).1葉輪幾何模型本文主要運(yùn)用Solidworks建立所需要的9種閉式葉輪模型.葉片為前傾后彎式,其前緣與后緣均是橢圓形狀(長短軸之比是3).圖1是葉輪I的幾何模型的3個(gè)視圖,從圖中可以看出葉片、輪盤和輪蓋的形貌.9種葉輪不同的參數(shù)是葉片厚度.圖2是9種葉輪葉片厚度變化曲線,表明了從前緣到后緣,葉片法向厚度的變化趨勢.圖中縱坐標(biāo)為葉片法向厚度值(h),橫坐標(biāo)為葉片從前緣到后緣的相對弧長(x/l).可知葉輪G是等厚度葉片(葉輪原型)、A～F是后緣厚度較大的葉輪、H和I是后緣厚度較小的葉輪.圖3和4是9種葉輪的葉片實(shí)體幾何模型.2有限分析2.1葉輪靜應(yīng)力分析ANSYS中定義葉輪的材料特性:彈性模量為200GPa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3.因?yàn)槿~輪與軸采用過盈約束,故輪盤前端面取全約束,葉輪的內(nèi)徑處周向位移被約束.壓縮機(jī)或核主泵運(yùn)行時(shí),離心力是葉輪最主要的應(yīng)力,因此在用ANSYS進(jìn)行葉輪靜應(yīng)力分析時(shí),忽略氣動(dòng)力(由本文葉輪流場計(jì)算可知,氣動(dòng)力約為0.1MPa),只考慮離心力.在ANSYS慣性荷載項(xiàng)中,設(shè)置葉輪的工作轉(zhuǎn)速為3820r/min.2.2模型網(wǎng)格劃分對于有限元分析而言,網(wǎng)格劃分的好壞直接影響到計(jì)算的精度和速度.由于葉輪幾何模型的復(fù)雜性,如葉片扭曲較大,葉輪I葉片最薄處達(dá)到2.0mm,本文采取ANSYS智能尺寸控制法,通過控制網(wǎng)格劃分水平值和網(wǎng)格擴(kuò)張系數(shù),人工控制網(wǎng)格的大小和疏密分布.智能網(wǎng)格劃分方法主要通過指定所有邊線的份數(shù)來決定單元的尺寸,它可以考慮到線的曲率、單元階次等特征.為了獲得較好的計(jì)算精度,采用二次四面體單元(92號(hào)單元),能更好地劃分出不規(guī)則形狀的網(wǎng)格,較準(zhǔn)確地模擬葉片表面的扭曲程度.但是,采用更高階的單元給曲線劃分單元網(wǎng)格時(shí),ANSYS會(huì)發(fā)出警告,甚至發(fā)出由于單元扭曲變形超過單元允許范圍而引起網(wǎng)格劃分失敗的信息.其原因是:由于模型表面單元的彎曲程度過大,部分中節(jié)點(diǎn)偏離了自身位置,影響了網(wǎng)格的稀疏程度.本文采用智能網(wǎng)格劃分時(shí),ANSYS都會(huì)發(fā)出警告.經(jīng)過嘗試不同的智能網(wǎng)格劃分以及對計(jì)算結(jié)果的綜合分析,最終把警告網(wǎng)格數(shù)的百分比控制在0.4%以下.9種葉輪網(wǎng)格總數(shù)為150000～350000.圖5是葉輪I的有限元模型,網(wǎng)格總數(shù)253834,其中警告網(wǎng)格數(shù)607,約占0.24%,符合計(jì)算精度要求.2.3葉輪d-c-b-d及厚度對葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響本文以等厚度葉片的葉輪G為界限把9種葉輪分成兩組,即組1:葉輪G～A,組2:葉輪G～I(xiàn),通過觀察最大vonMises應(yīng)力值及其位置,進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析.表1給出了葉輪的最大vonMises應(yīng)力值,圖6、7和8分別是葉輪A、D和G的應(yīng)力分布云圖.對于組1,按照葉輪由G到A的順序分析,即葉片厚度從等厚度到后緣厚度逐漸變大這一過程,最大vonMises應(yīng)力值的變化具有一定規(guī)律性.以葉輪G的應(yīng)力值為參考點(diǎn),隨著葉片后緣厚度的增加,在G-F-E-D過程中最大應(yīng)力呈增加趨勢,但是在D-C-B-A過程中最大應(yīng)力呈下降趨勢.而且,葉輪A～F的最大應(yīng)力均位于出口的輪盤處,而葉輪G最大應(yīng)力位于進(jìn)口的輪蓋處.因此,隨著葉片后緣厚度的增加,最大應(yīng)力值按照先增加后下降的規(guī)律變化.由表1可知,葉輪A與葉輪G相比較,最大vonMises應(yīng)力值下降了15%,即葉片后緣厚度適當(dāng)?shù)脑黾訉μ岣呷~輪的強(qiáng)度是十分有利的.對于組2中的葉輪G～I(xiàn),葉片厚度從等厚度到后緣厚度逐漸變小這一過程,最大vonMises應(yīng)力值呈逐漸增大的趨勢.而且,3種葉輪的最大vonMises應(yīng)力均位于進(jìn)口的輪蓋處.通過計(jì)算可知,葉輪I比葉輪G的最大vonMises應(yīng)力增加了11%.因此,對于等厚度葉片的葉輪,如果減小后緣的厚度,就會(huì)降低葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.通常,葉片厚度的增加會(huì)提高葉輪的強(qiáng)度,這對于等厚度葉片是正確的.作者曾對等厚度葉片按照每增加1mm的厚度進(jìn)行分析,從而得到最大vonMises應(yīng)力的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)葉片厚度的增加能顯著地提高葉輪的強(qiáng)度.但是,對于本文所研究的9種變厚度葉片的葉輪,最大vonMises應(yīng)力值的變化不是按照線性變化.組2的分析結(jié)果與葉片厚度的增加會(huì)提高葉輪的強(qiáng)度相符合,這說明減薄后緣厚度會(huì)對葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響.組1分析表明,增加后緣厚度并不一定會(huì)增強(qiáng)葉輪的強(qiáng)度,最大vonMises應(yīng)力值按照先增加后下降的規(guī)律進(jìn)行變化.但是,當(dāng)葉片后緣厚度增加到合適的數(shù)值時(shí),能夠顯著地提高葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.3葉輪氣體動(dòng)力學(xué)特性由于葉片厚度的變化會(huì)對葉輪流場產(chǎn)生很大影響,本文運(yùn)用CFX軟件對其中的5種葉輪進(jìn)行氣體動(dòng)力學(xué)計(jì)算研究.為了便于分析,所取的5種葉輪分別是B、E、G、H和I,即一個(gè)等厚度葉輪G、兩個(gè)厚后緣葉輪B和E、兩個(gè)薄后緣葉輪H和I.模擬類型為穩(wěn)態(tài)模擬,采用k-ε湍流模型.工作介質(zhì)為空氣(理想氣體).邊界條件:給定軸向進(jìn)氣,進(jìn)口總溫293K和總壓1×105Pa,出口給定質(zhì)量流量110000m3/h,轉(zhuǎn)動(dòng)壁面給定轉(zhuǎn)速3820r/min,其他壁面轉(zhuǎn)速為零,壁面處滿足無滑移條件.當(dāng)殘差達(dá)10-4時(shí),計(jì)算結(jié)束.每種葉輪的單通道網(wǎng)格數(shù)約為25×104.對離心壓縮機(jī)某一級(jí)來說,相對該級(jí)中其他靜止元件,葉輪的效率是最高的,在保證相同的葉片進(jìn)口角、出口角、葉片個(gè)數(shù)和葉輪內(nèi)外徑的前提下,葉片形狀的優(yōu)良與否直接關(guān)系著葉輪效率的高低.以下是應(yīng)用CFX軟件計(jì)算得到的5種不同葉片形狀的葉輪內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)果.氣體動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總于表2,子午面壓力分布見圖9,50%葉高處周向平面熵分布見圖10,50%葉高處周向平面相對馬赫數(shù)分布見圖11.總體上看,5種變厚度葉片的葉輪內(nèi)部流動(dòng)很相似,但從葉輪葉片相對馬赫數(shù)分布可以看出,相對而言,葉輪B的流場分布最為均勻,低速區(qū)范圍最小,速度梯度也最小,葉輪出口的流場沿寬度分布也最為均勻,這也是葉輪B的多變效率最高的主要原因所在,其中葉輪B與葉輪H相比,等熵效率提高了3%.其次是葉輪E,這可能是因?yàn)槿~片厚度沿翼展方向從中間到出口相應(yīng)增加以后,在一定程度上減小了原設(shè)計(jì)葉輪葉片流道的擴(kuò)張度,因而減小了擴(kuò)張損失,所帶來的負(fù)面效果就是相應(yīng)減弱了葉片的擴(kuò)壓能力.從葉輪子午面的壓力分布可以看出,5種形式的葉輪壓力從進(jìn)口到出口都是均勻增加的,而葉輪I的壓力升高最為均勻,且出口壓力沿寬度分布最為均勻,因而葉輪I的總壓比是5種形式的葉輪中最高的,這可能是由于葉片厚度沿翼展方向從中間到出口相應(yīng)減薄后,在一定程度上增大了流道的擴(kuò)張度,從而提高了葉片流道的擴(kuò)壓能力,但反過來卻增加了流道的擴(kuò)張損失,因此葉輪I的效率較低.從葉輪葉片在周向平面的熵分布可以看出,5種形式的葉輪,其熵的分布從葉根到葉頂都是逐漸增加的,且在葉片的吸力面和葉片出口處,熵增明顯,這是由于葉片在吸力面上的流動(dòng)有脫離現(xiàn)象發(fā)生,在出口處有尾跡損失.分析葉片B、E的整體熵分布,從葉根到葉頂?shù)撵卦龇缺容^小,說明葉輪葉片沿葉高方向的流動(dòng)損失較小,因此,這兩種形式的葉輪效率較高.綜上所述,對每一種離心葉輪而言,其葉片型線從進(jìn)口到出口的厚度變化應(yīng)該有一個(gè)最佳值,以保證葉輪的效率和總壓比的變化相互和諧,達(dá)到相對最佳值.對本文研究的葉輪而言,從氣體動(dòng)力學(xué)角度出發(fā),相對于其他葉輪,葉輪G的多變效率和總壓比都是較高的,即等厚度葉片可以使葉輪的效率和總壓比達(dá)到折中的水平.同時(shí),通過計(jì)算分析可知,隨著葉片后緣厚度的增加,葉片流道的擴(kuò)張度開始變小,進(jìn)而降低了擴(kuò)張損失,最終使得葉輪的效率增加,但是此時(shí)會(huì)導(dǎo)致總壓比略有下降(由表2可知總壓比的下降程度相對較小).因此,在滿足總壓比的情況下,對葉片后緣進(jìn)行適當(dāng)?shù)募雍?可以較顯著地提高葉輪效率.4葉片東南角厚度對葉輪可擴(kuò)張性的影響(1)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的角度出發(fā),一般而言,葉片厚度的增加能明顯地提高葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.因此,減薄葉片后緣厚度對葉輪的強(qiáng)度十分不利.但是,隨著葉片后緣厚度的增加,葉輪的最大vonMises應(yīng)力值按照先增加后下降的規(guī)律變化.因此,當(dāng)葉片后緣厚度增加到合適的數(shù)值時(shí),才能顯著地提高葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.(2)從氣體動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā),