h100kW壓氣機離心葉輪優化設計

脫燁/中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

h100kW壓氣機離心葉輪優化設計

脫燁/中航工業哈爾濱東安發動機（集團）有限公司

通過對設計的100kW壓氣機離心葉輪進行強度校核時，發現其結構和強度都存在一定的問題。我們采用在輪盤背部挖導力錐和調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。又改變其原有的結構形式和材料。對優化后的設計分別進行靜強度和動強度分析。優化后的設計能夠滿足結構和強度要求。

離心葉輪；導力錐；強度分析；模態分析

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”的主要研究內容之一。其設計要求是，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，發現其在工作轉速（45000rpm）和超轉速（54000rpm）下，結構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化，對每一種優化都做了強度與可靠性的分析計算，得出最終的設計方案。

二、最初設計的100kW壓氣機離心葉輪

最初設計的100kW壓氣機離心葉輪的結構形式是葉輪的內孔裝有軸套，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。我們需要對其結構進行優化。

三、分析影響離心葉輪強度的因素

從計算結果看，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力集中，葉輪將被破壞。所以我們要取消銷子的結構。

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

葉輪流道是經過氣動設計確定的，葉片形式不能更改，因此結構優化的焦點就放在輪盤上。我們從改變葉輪質心著手，通過在輪盤背部挖“導力錐”的方法改進葉輪輪盤結構降低葉輪應力。

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）使得葉輪的質心位置偏向后端。所以我們想到在輪盤背部挖“導力錐”使質心位置前移。這樣可以將離心應力引導向前，使輪盤前端材料也承擔拉壓應力。我們嘗試了多種挖導力錐的方法，使質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，得到的結果中，最為滿意的是：葉輪最大應力為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。此時葉輪的質心為比原來的3m m，即葉輪的質心向輪盤支撐部分的中心靠近了。

由計算結果看出，在輪盤背部挖導力錐確實降低了葉輪應力，但葉輪所受的最大應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，在超轉試驗時，葉輪與軸套依然存在脫開的可能。

挖導力錐使葉輪質量減小的因素不可忽略，而且僅僅挖導力錐改變葉輪質心的幅度太小，很難清晰看出單純改變葉輪質心與輪盤支撐中心相對位置的效果。所以調整輪盤支撐部分結構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心的目的。這種想法頗具逆向思維的風格，在不減小質量的前提下，極大的縮小質心與葉輪支撐中心的距離，并且排除了質量變化對葉輪應力的影響。將輪盤背部挖掉的部分補到輪盤前端的輪盤型線上。

四、改進優化后的離心葉輪

對原葉輪結構做了一系列的改進，包括取消銷子結構、在輪盤背部挖導力錐、調整輪盤支撐部分結構等。這些改進都有效的降低了葉輪應力，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構，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，得到的最大應力及變形量均能滿足設計要求。

五、結論

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

我們采用調整葉輪質心與輪盤支撐中心的方法，對葉輪進行改進。在葉輪背部挖導力錐，將去掉的質量加到輪盤前端的輪盤型線上，使支撐中心靠近葉輪質心。我們嘗試了多種方案，進行了計算。通過計算的結果看，我們采取的方法是可行有效的，大大的降低了葉輪的應力。但其受到的最大應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。所以我們取消銷子和軸套將葉輪設計成整體式的。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速和超轉速下分別做了強度計算，分析其應力和變形。又對葉輪和葉片分別做了模態分析，最后得出結論，改進后的葉輪在靜強度和動強度方面都滿足設計要求。

【1】童榴生，離心式壓縮機葉輪的結構與應力，風機技術1998.

【2】席光，郭常青，離心葉輪的應力數值分析與結構優化，流體機械2004.

【3】徐芝綸、彈性力學.北京：人民教育出版社，1979.

【4】宋永，精通ANSYS7.0有限元分析.清華大學出版社，2003.