淺談用ANSYS進行離心通風機葉輪強度分析

胡麗剛　王志軍

摘 要：在通風機中，ANSYS基于長期的有限元理論與實踐工程經驗上發展起來的。對于風機我們使用ANSYS軟件進行結構強度分析能夠更貼近實際工況值，本文結合4-2X75No6E型離心通風機葉輪的強度分析過程進行了論述。

關鍵詞：離心通風機葉輪； ANSYS；強度分析

1 概述

離心通風機是較為常見的通風機械，有一些場合用的通風機的安全性要求很高，比如礦井通風機、核電站的核級風機，這些場合的風機除了要滿足氣動性能外，對運行安全性有著更高的要求，尤其是核電站中使用的核級風機，在以往的設計和使用情況來看，核級風機的葉輪在設計時的安全系數通常在不加載地震激勵的情況下至少應取n≥4，這樣在做抗震試驗時才能滿足要求，不出現影響安全的情況發生。因此這就需要我們在設計階段對一些關鍵部件進行強度計算，對于離心風機來說，葉輪為旋轉部件，也是核心部件，運行中葉輪的安全性最為重要。葉輪的計算我們以前只能用傳統的力學計算來驗證。隨著計算機技術的發展以及有限元軟件的大量應用，其計算更能接近真實工況，計算也更為可靠和快速。因此本文采用有限元分析的方法，驗證其在額定全壓及離心力作用下，對離心風機葉輪中的部件葉片、輪盤、輪蓋的應力和應變進行計算分析，看所做的設計方案是否能夠滿足相應的強度要求。

2 風機設計參數

3 分析工具

大型通用有限元計算軟件 ANSYS 14.5。

4 有限元模型

本文采用基于有限元方法的大型通用數值模擬軟件進行模擬分析。由于有限元方法存在離散誤差，為了將該部分的誤差影響盡量避免，在分析前首先對原始模型采用不同尺寸的網格進行多次的模態分析，通過查看基頻隨著網格尺寸逐漸細化的變化規律，在盡量縮減計算規模的前提下，得到合適的網格尺寸。即結果的網格無關性檢查。然后基于此網格尺寸對模型進行完整的模擬分析。

建立葉輪模型過程中，對模型中容易出現應力集中的葉片與輪蓋、葉片與輪盤交界處做圓角處理，避免出現冗余的計算結果，使計算結果更具有準確性。采用有限元分析軟件ANSYS建立風機葉輪模型、劃分網格、定義邊界條件、求解并進行后處理，風機葉輪采用SOLID45單元進行建模，有限元模型如圖1所示。

5 載荷定義

自重 （W）

以重力加速度的形式施加在整個結構上，整個結構的密度取7850kg/m3，重力加速度為9.8m/s2。彈性模量2e11 pa，泊松比0.3。

離心力載荷 （F）

風機葉輪的額定轉速為1480rpm，在風機運轉時將在旋轉部件上產生離心力。

壓力載荷 （P）

分析中設定風機葉片壓力面和吸力面的壓差為1110Pa。

6 分析結果

在進行結果分析時采用分工況分析，采用不同的載荷組合得出相應的工況結果，為葉輪的結構設計提供全面的理論支撐。

工況一：自重+離心力 （G+F）

風機葉輪在自重和離心力載荷作用下，其應力分布圖如圖2所示。風機葉輪的最大應力為104MPa，位于輪盤上與軸盤連接處的開孔上。此處可認為是由于應力集中引起的峰值應力，在遠離鉚釘孔的位置，風機輪盤的最大應力為49.6MPa，安全系數n=6.956。

風機葉片的最大應力為57.9MPa，安全系數n=5.959。

風機輪蓋的最大應力為41.6MPa，安全系數n=8.293。

從上述工況一的計算結果來看，安全系數均n≥4，滿足在設計之初預定的結果，為滿足以后的抗震分析留下設計裕量。避免因為裕量過小或過大而進行的重復設計和計算，減少了設計工作量。

風機葉輪在自重和離心力載荷作用下的應變云圖如圖3所示。風機葉輪的最大應變為7.84×104，位于輪盤上與軸盤連接處的開孔上。葉片上的最大應變為2.94×104，輪蓋上的最大應變為2.22×104。

工況二：自重+離心力+壓力載荷 （G+F+P）

風機葉輪在自重、離心力和壓力載荷作用下，其應力分布圖如圖4所示。風機葉輪的最大應力為103MPa，位于輪盤上與軸盤連接處的開孔上。此處可認為是由于應力集中引起的峰值應力，在遠離鉚釘孔的位置，風機輪盤的最大應力為49.0MPa，安全系數n=7.041。

風機葉片的最大應力為57.4MPa，安全系數n=6.010。

風機輪蓋的最大應力為41.5MPa，安全系數n=8.313。

風機葉輪在自重、離心力和壓力載荷作用下的應變云圖如圖5所示。風機葉輪的最大應變為7.75×104，位于輪盤上與軸盤連接處的開孔上。葉片上的最大應變為2.92×104，輪蓋上的最大應變為2.21×104。

從上述工況二的計算結果來看，增加了壓力載荷，計算值相較于工況一并沒有較大的起伏，因此如果在初步進行計算和分析時壓力載荷不大情況下可以忽略此值，對計算結果影響不大。

7 結語

通過采用ANSYS對風機葉輪進行建模和計算，并對結果進行分析，結果表明：

風機葉輪在施加重力和離心力作用時，風機輪盤的最大應力為49.6MPa，安全系數n=6.956；葉片的最大應力為57.9MPa，安全系數n=5.959；輪蓋的最大應力為41.6MPa，安全系數n=8.293。風機葉片、葉輪和輪蓋的安全系數較大，能夠滿足強度要求。

風機葉輪在施加重力、離心力和額定全壓時，其應力、變形量及應變均小于重力和離心力載荷作用時的數值。這是由于作用在葉片壓力面的額定全壓與離心力的方向相反，在一定程度上抑制了離心力引起的徑向變形；葉片徑向變形量的減小使得葉輪和輪蓋的應力、變形量和應變也相應減小。此應力分析的結論也更接近葉輪的實際工況。

參考文獻：

[1] 商景泰.通風機實用技術手冊[M].機械工業出版社，2011（08）.

[2] 李慶宜.通風機[M].華中工學院，機械工業出版社，1982（04）.

[3] 成心德.離心通風機[M].化學工業出版社2006（12）.