離心壓縮機葉輪沖蝕磨損的動力特性研究

馬江峰 張麗偉

沈陽鼓風機集團安裝檢修配件有限公司

離心壓縮機葉輪沖蝕磨損的動力特性研究

馬江峰 張麗偉

沈陽鼓風機集團安裝檢修配件有限公司

離心式壓縮機是一種葉片旋轉式壓縮機，葉輪作為其主要做功部件需要有較高的旋轉速度(2000～10000r/min)。由于葉輪工作環境通常較為惡劣，輸運介質或工業大氣中的固體顆粒容易被高速運動的氣流帶動，沖擊葉片造成固體顆粒沖蝕。固粒沖蝕磨損會造成葉輪材料損耗流失，進而造成材料破壞或設備失效。針對葉輪機械的沖蝕磨損問題，文章側重動力學特性進行研究。

離心式壓縮機；葉輪沖蝕；磨損

離心壓縮機是一種葉片旋轉式葉輪機械，工作介質在高轉速旋轉的葉片帶動下沿葉輪徑向甩出。因生產需要，離心壓縮機常面臨著惡劣的工作環境，運輸介質中往往不可避免的混入微小固體顆粒，長期運行過程中對葉輪葉片造成沖蝕磨損，磨損造成葉輪材料流失，進而引發葉輪失效，因此，研究顆粒對離心壓縮機葉輪的磨損，并分析磨損損傷葉輪動力特性等的變化，對于了解葉輪沖蝕磨損失效規律和保障壓縮機工程價值具有重要意義。

1 計算模型的建立

1.1 葉輪模型和網格劃分

葉輪實體模型來源于沈陽鼓風機廠提供的空分壓縮機沖蝕磨損失效葉輪，葉輪為三維閉式葉輪，葉片總數為22，其中長、短葉片各11片。對其運行2年后進行檢修，發現葉輪的大葉片壓力面出口根部發生了嚴重的材料流失現象，沖蝕減薄嚴重，小葉片基本沒有沖蝕。對葉片實際沖蝕形貌進行測量，并根據葉輪大小葉片型線數據、輪盤輪蓋子午面數據，利用三維造型軟件Pro/E建立帶有磨損損傷的葉輪三維模型。葉輪出口直徑918mm，轉速6180r/min。葉輪材料為FV520B，FV520B是英國Firth-Vickers材料研究室研究開發的一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，是制造離心壓縮機葉輪的理想材料。

1.2 材料參數和邊界條件

在有限元中對葉輪進行模態分析時，由于葉輪模態是其固有屬性，當葉輪結構形式確定后，只需要再定義材料密度、彈性模量和泊松比。在本文中，針對特定的離心壓縮機葉輪材料，根據提供的材料參數，定義材料密度為7780kg/m3彈性模量1.9X1011Pa，泊松比0.2950。在支撐和載荷施加方面，為了模擬葉輪的實際轉動，在葉輪輪毅內圈施加圓柱約束，并將軸向和徑向位移約束固定，設置切向位移為自由，以此來模擬葉輪與壓縮機主軸的連接情況。另外，由于離心壓縮機高速旋轉，轉速達6180r/min，相對于離心力，重力的影響很小，本文予以忽略。進行模態分析時，由于離心力的作用，會對葉輪產生“剛化效應”，要考慮預應力作用下的模態分析，即要設定葉輪轉速。在考慮流固禍合時，認為葉輪葉片變形很小，對流場無影響，進行單相流固禍合分析，即把FLUENT中獲得的氣動力插值傳遞到葉輪結構表面上，為考察大葉片后緣局部減薄的影響，還要進行損傷葉輪的模態分析。

1.3 結果分析

單獨考慮離心力作用和同時考慮離心力加氣動力作用對葉輪固有頻率的影響變化規律基本一致，而且在加載離心力的前提下，氣動力對葉輪固有頻率的影響幾乎可以忽略；離心預應力主導了葉輪的“剛化效應”，離心拉應力的作用使得葉輪整體剛度增加，從而使得葉輪固有頻率在不同階次下有不同幅度的提升。當單獨考慮氣動力作用時，氣動載荷對葉輪固有頻率的影響趨勢不明顯，在不同的階次下使得葉輪固有頻率出現不同幅度的升高或降低。為了進一步探討不同承載條件對葉輪模態的影響，對前12階固有頻率對應的葉輪模態振型進行分析。由于葉輪是循環對稱結構，故在某階次下存在頻率相同而相位不同的重頻現象，重頻時葉輪表現出同一種振型。

2 動力特性分析

2.1 頻率分析

(1)對于原始葉輪，加載離心力會使葉輪各階固有頻率有所提升，說明離心力使得葉片出現剛化效應；最大提升幅值出現在第3，4階模態處，約為3%；其次是第7，8階模態，增幅為2.5%；(2)加載離心力對于單葉片損傷和所有葉片損傷葉輪的固有頻率影響幅度幾乎相同，且除第5階模態以外，各階次頻率增幅均低于同階次下離心力對原始葉輪的固有頻率的影響幅值；對于損傷葉輪，在第6，9和10階模態下，加載離心力使其固有頻率增幅出現了負值，說明在這幾階模態下，相對于剛化效應，葉片因材料流失造成的剛度降低對葉輪固有頻率的影響更為顯著；(3)葉輪損傷會造成其固有頻率有所略有下降，但影響很小，變化幅值基本在0.7%以內，幾乎可以忽略不計，只有第6階模態下固有頻率降幅超過了1.5%，第5階模態下出現了增幅，說明葉輪損傷對這兩個階次下的葉輪動力特性影響較大，可以考慮對其模態振型和共振等加以分析。

2.2 損壞強度分析

(1)原始葉輪大葉片最大等效應力出現在葉輪前緣與輪蓋結合處附近，而單個大葉片損傷和所有大葉片損傷的葉輪其損傷大葉片最大等效應力集中在葉片后緣磨損減薄最為嚴重的部位，說明大葉片根部因沖蝕磨損帶來的葉片損傷導致最大等效應力部位向損傷處發生了轉移，出現了應力集中現象，應力集中部位沿葉片損傷變形分布，且靠近輪盤結合處更為顯著；(2)損傷大葉片處的最大等效應力相對于原始葉輪大葉片最大等效應力有所提升，單個大葉片損傷和所有大葉片損傷的提升幅值分別為7.73%和7.04%，雖然有限元計算會存在捕捉局部個別節點最大應力值而造成安全系數偏低的結果，但是仍應著重考慮可能因磨損損傷帶來的材料破壞。

綜上所述，(1)一定程度上的葉片沖蝕減薄對葉輪的固有頻率影響很小，在離心預應力作用下，葉輪損傷會導致其固有頻率略有下降，這主要是因為材料流失造成了葉輪剛度降低。(2)磨損損傷造成大葉片最大等效應力部位向葉片后緣減薄處發生轉移，且損傷處出現了應力集中現象，損傷葉片最大變形量提升50%左右，由模擬結果來看，應對實際工況下損傷葉輪的結構強度加以考究。

[1] 徐文汗，李劍峰，劉子武，賈秀杰. 離心壓縮機葉輪沖蝕磨損的動力特性研究[J]. 流體機械，2016，09：41-46.

[2] 龔寶龍. 離心壓縮機葉輪內湍流及沖蝕磨損特性研究[D] .山東大學，2014.