某型離心壓縮機葉輪優化設計

□ 田曉平 □ 韓 濤 □ 田 琳

1.中國飛行試驗研究院 西安 710089

2.中國石油西氣東輸管道公司 銀川 751500

由于離心葉輪具有單級壓比高、軸向長度小、工藝性好和設計制造簡單等特性，而被廣泛地應用于航空、航天、能源、石油化工、冶金、天然氣輸送和制冷等領域，它在國民經濟各部門中占有重要的地位。但是，壓縮機葉輪的疲勞破壞事故在近年來頻頻發生［1-4］，因此，研制高性能的離心壓縮機，將對節約能源具有重大意義。

葉輪是離心壓縮機的核心部件，它對氣體作功，將原動機的機械能轉化為氣體的能量，其性能的優劣對整個壓縮機起著決定性影響。在實際應用中發現，某型號離心壓縮機葉輪有不同程度的裂紋（圖1），觀察發現斷裂部位位于葉片與后盤的焊接點處，經過檢查發現，斷裂原因是此焊接點處機械強度沒能達到設計要求而發生疲勞斷裂，因此，需要對該型號的離心葉輪進行優化設計。根據用戶要求，優化設計后的葉輪，在滿足強度要求的基礎上，使其效率提高不少于3%。

▲圖1 葉輪裂紋

1 建立模型

根據葉輪的外形建立有限元模型，如圖2所示。

1.1 靜力學計算

對葉輪的有限元模型進行靜力學計算，當葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉時，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應力分布如圖3所示。

▲圖2 葉輪原型A模型

▲圖3 原型A葉片的等效應力分布圖

從圖中可以看出，葉片后緣的懸臂處出現非常明顯的應力集中現象，這也是直接導致該葉輪在此處產生裂紋的原因。

1.2 長壽命疲勞計算

在靜力學計算應力分布的基礎上，對葉輪進行長壽命疲勞計算，由圖4可以看出，在葉片伸出部分與后盤焊接點附近，循環次數為3.79×106，低于疲勞極限對應的107。

2 分析葉輪斷裂原因

▲圖6 改型B葉片的等效應力分布圖

▲圖5 葉輪改型B方案

▲圖7 葉輪改型B的疲勞壽命（循環次數）

▲圖8 葉輪改型C方案

由以上有限元模型的靜力學計算和長壽命疲勞預估計算，可以看出葉片斷裂的原因是葉輪的結構不合理。葉片伸出部分與后盤焊接點附近最大等效應力為131 MPa。雖然此最大應力值小于材料的屈服極限和強度極限，然而在疲勞載荷作用下所進行的長壽命疲勞計算得出葉片伸出部分與后盤焊接點附近的疲勞壽命沒有達到規定值。

又因為葉輪的葉片懸臂端相對固定端的彎曲振動，該振動將進一步增大應力集中點處的應力值。再由于葉輪中存在的射流-尾跡流動，它會在葉片的懸臂端的外沿頂部產生激勵。因為流體激勵為寬譜激勵，一般包含100 Hz以下的頻率成分，這將加速葉片在應力集中點附近的破壞［5,6］。

▲圖9 改型C葉片的等效應力分布圖

3 確定優化改型方案

因為葉輪結構本身存在缺陷，因此補救方案的出發點是，盡可能在原有的結構基礎上作適當的改動，以消除應力集中現象。基于上述要求，提出了多種方案分別進行計算、比較和篩選。下面就針對兩種優化改型方案的計算進行介紹。

3.1 改型方案B

該補救方案的出發點是，消除葉片伸出部分與后盤焊接點附近的應力集中現象，為此在后盤上焊接環形平板（板厚3～4 mm），使葉片在后盤處不存在懸臂現象，其模型如圖5所示。

3.1.1 靜力學計算

對改型方案B的葉輪進行了靜力學計算，當葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉時，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應力分布如圖6所示。

3.1.2 長壽命疲勞計算

在靜力學計算應力分布的基礎上對葉輪進行長壽命疲勞計算，由圖7可以看出，加上環形平板后的葉輪壽命滿足要求。

3.2 改型方案C

該補救方案的出發點是，進一步改善改型方案B中風扇葉片的應力集中現象，同時優化葉輪出口氣流的流場，為此給風扇增加了前蓋（厚度4 mm），如圖8所示。

對改型方案C的葉輪進行靜力學計算，當葉輪以1 518 r/min（25.3 Hz）勻速旋轉時，在離心力和重力共同作用于葉輪葉片的等效應力分布如圖9所示。從圖中可以看出葉片沒有出現大面積的高應力區域。

4 三維數值模擬

針對原型和改型離心葉輪的模型利用FLUENT軟件進行三維數值模擬。改型三維計算與原型計算無論在網格選取、數值格式或是初、邊值條件上均保持一致，這樣計算結果更具可比性。

4.1 原型和改型方案的性能比較

為便于比較，將原型與改型的離心葉輪三維計算結果列于表1。

由表2列出的原型與改型離心葉輪在設計參考點性能比較可知,在相同條件下，改型B比原型流量大2.68%［（B-A）/A］， 改型 C 比原型流量大 3.55%［（CA）/A］；改型B比原型壓比高1.84%，改型C比原型壓比高2.97%；改型B較原型絕熱效率提高了3.07個百分點，改型C較原型絕熱效率提高了4.03個百分點。所以就設計參考點而言是達到性能指標要求的。

表1 原型、改型離心葉輪三維定常計算結果

表2 改型離心葉輪三維定常計算性能比較

▲圖1 0 原型A葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 1 改型B葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 2 改型C葉輪中截面靜壓分布

▲圖1 3 流量、壓比特性比較

▲圖1 4 流量、效率特性比較

由于原型、改型離心葉輪三維計算條件一致，計算流場可比性強，比較分析得出改進結論如圖10、圖11和圖12所示，它們是原型與改型離心葉輪中截面靜壓分布，從中看出：①改型與原型葉輪壓力分布形態相似；②改型較原型葉輪壓力分布變化更平緩、順暢，且其加載能力更強；③都存在一定的負攻角，對離心葉輪的裕度及流量有利。

4.2 非設計點性能比較

對設計參考點的全三維數值模擬顯示,改型設計已滿足目標要求，繼續對原型與改型實施設計轉速線的特性計算，以比較非設計工況性能與喘振裕度。

利用三維數值方法計算原型與改型離心葉輪特性線,采用不斷變化背壓，以逼離心葉輪向不穩定點靠攏，計算不再收斂點暫定為不穩點工作點。

理論計算與實際喘點存在誤差，但原型離心葉輪已經多年使用，滿足裕度要求，改型離心葉輪裕度應較原型一致或稍大，不應出現裕度惡化問題。

圖13、圖14是原型與改型離心葉輪計算機計算的特性曲線圖。圖中分析得知：①兩個改型的壓比、效率都在原型之上，說明同樣流量下改型壓比、效率都高于原型值；②兩個改型堵塞流量大于原型值，堵塞流量分別大2.69%和3.57%；③以如下公式定義喘振裕度SM：式中：π表示壓比；G表示流量；下標S表示計算值；下標D表示設計值。

以相同背壓設計參考點為設計點，計算得出原型設計：SM原=15.33%， 改型B：SM改B=16.58%，改型C:SM改C=17.16%，由于原型離心葉輪的裕度滿足運行要求，則改型離心葉輪的裕度也滿足要求。

5 結論

本文對某型離心壓縮機的葉輪實施改型結構和氣動設計。通過焊接環形平板和加裝前蓋，很好地解決了原葉輪應力集中現象，又在原有葉輪的基礎上進一步提高其效率，使其滿足用戶要求。通過本文離心葉輪改型氣動設計實踐，可為類似的離心壓縮機改型設計提供借鑒。

［1］ Ejaz N,Salam I,Tauqir A.Fatigue Failure of Acentrifugal Compressor ［J］ .Engineering Failure Analysis,2007,14（7）:13-21.

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［3］ 楊興宇,耿中行,蔡向暉.某型發動機二級壓氣機葉片斷裂故障分析研究［J］.航空動力學報,2001,16（4）:19-31.

［4］ Qin Wei,Tsu Kamoto H.Theoretical Study of Pressure Fluctuations Downst Ream of a Diffuser Pump Impeller:Fundamental Analysis on Rotor-Stator Interaction ［J］.ASME Journal of Fluids Engineering,1997,119（3） :35-52.

［5］ 徐忠.離心式壓縮機原理［M］.北京：機械工業出版社，1990.

［6］ 李慶宜.通風機［M］.北京：機械工業出版社，1981.