基于ANSYS軟件的離心風(fēng)機葉輪有限元分析

李鵬飛， 張玉寶

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)， 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

引言

葉輪作為離心風(fēng)機實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為風(fēng)能的核心部件，其力學(xué)性能的好壞直接影響了離心風(fēng)機的壽命及安全性。離心風(fēng)機運行過程中葉輪存在彎曲、撕裂、斷裂等安全隱患，傳統(tǒng)設(shè)計過程中一般采用理論公式對葉輪進行強度計算不能完整的預(yù)測葉輪的力學(xué)性能，而采用ANSYS有線元法不僅可對離心風(fēng)機葉輪進行強度分析和動力學(xué)特性分析，還可求得不同轉(zhuǎn)速下葉輪的應(yīng)力分布、變形分布和運轉(zhuǎn)過程中的臨界轉(zhuǎn)速，從而為實際生產(chǎn)運行工況提供理論基礎(chǔ)[1-2]。

1 離心風(fēng)機葉輪建模與流場分析

1.1 葉輪主要幾何參數(shù)

根據(jù)離心風(fēng)機運行工藝參數(shù)，經(jīng)初步理論計算得出葉輪主要幾何參數(shù)[3]，葉輪主要幾何參數(shù)見表1。

表1 葉輪主要幾何參數(shù)

1.2 葉輪建模

采用CREO軟件對離心風(fēng)機葉輪進行三維建模，三維模型見圖1所示。

圖1 離心風(fēng)機葉輪三維模型

1.3 風(fēng)道流場分析

離心風(fēng)機風(fēng)道流動為湍流，基于FLUENT軟件選用RNGk-ε湍流模型對風(fēng)道流場進行分析[4]。

離心風(fēng)機工作過程中葉輪帶動介質(zhì)旋轉(zhuǎn)，設(shè)置旋轉(zhuǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)動中心為（0，0，0）點，轉(zhuǎn)軸為Y軸。選取SIMPLE算法實現(xiàn)壓力和速度的耦合，壓力相采用standard標(biāo)準(zhǔn)算法，設(shè)置相應(yīng)的松弛因子以提高計算的收斂性，計算求得不同轉(zhuǎn)速下2000步后離心風(fēng)機的流線圖以及出口速度和出口壓力。500 r/min轉(zhuǎn)速下2000步后的流線圖見圖2。

圖2 500 r/min轉(zhuǎn)速下2000步后的流線圖

不同轉(zhuǎn)速下2000步后離心風(fēng)機的出口速度和出口壓力見表2。

表2 不同轉(zhuǎn)速下2000步后離心風(fēng)機的出口速度和出口壓力

2 不同轉(zhuǎn)速下葉輪的強度分析

基于ANSYS軟件靜力學(xué)模塊對離心風(fēng)機葉輪強度進行分析，選取葉輪材料參數(shù)為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3[5-6]。在支座鍵槽處施加固定約束，葉輪整體施加相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，導(dǎo)入FLUENT軟件得到的風(fēng)壓后，求得葉輪的強度，得出最大強度出現(xiàn)在支座和葉輪的螺栓連接處[7-9]。

不同轉(zhuǎn)速下葉輪的強度與位移變形分布見下頁圖3—圖10。

圖3 500 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的強度

圖4 1000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的強度

圖5 2000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的強度

圖6 3000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的強度

圖7 500 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的位移變形

圖8 1000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的位移變形

圖9 2000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的位移變形

圖10 3000 r/min轉(zhuǎn)速下葉輪的位移變形

不同轉(zhuǎn)速下葉輪的強度與位移變形見表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速下葉輪的強度與位移變形

3 葉輪動力學(xué)特性分析

基于ANSYS軟件動力學(xué)模塊對離心風(fēng)機葉輪動力學(xué)進行分析，分析過程不考慮外載荷對葉輪強度的影響，只考慮葉輪本身的振動特性。葉輪網(wǎng)劃分采用全局控制法加局部尺寸控制法相結(jié)合的方式，全局控制 relevance為 50，relevance center為 fine，局部控制支座的尺寸為20 mm，輪盤的尺寸為15 mm，畫出網(wǎng)格為四面體和六面體相結(jié)合的網(wǎng)格，單元類型為solid186二次結(jié)構(gòu)單元，單元數(shù)為558000，節(jié)點數(shù)為344969。對軸孔處施加固定約束后，通過動力學(xué)分析求得葉輪前六階固有頻率及振型圖[7]。

葉輪前六階固有頻率見表4。

表4 葉輪前六階固有頻率

葉輪前六階振型圖見圖11—圖16。

圖11 葉輪第一階振型圖

圖12 葉輪第二階振型圖

圖13 葉輪第三階振型圖

圖14 葉輪第四階振型圖

圖15 葉輪第五階振型圖

圖16 葉輪第四階振型圖

通過上述分析，根據(jù)葉輪的第一階固有頻率f及臨界轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系式n=60 f，求得葉輪的臨界轉(zhuǎn)速為3293 r/min，即葉輪實際轉(zhuǎn)速達到3293 r/min時就會產(chǎn)生共振，從而會對葉輪的工作壽命及安全性造成影響。

4 結(jié)論

通過對葉輪進行動力學(xué)分析，求得葉輪的前六階固有頻率及相應(yīng)的振型，經(jīng)計算得到葉輪的臨界轉(zhuǎn)速為3293 r/min，結(jié)合不同轉(zhuǎn)速下葉輪的強度，在實際運行過程中需將葉輪的最大轉(zhuǎn)速控制在3000 r/min內(nèi)，從而避免發(fā)生共振，并提高離心風(fēng)機的壽命及安全性。

[1]李燕平.離心風(fēng)機葉輪的有限元分析及優(yōu)化[D].陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[2]曠紅梅.離心風(fēng)機葉輪計算及結(jié)構(gòu)改進[J].中國機械，2014（10）：273-274.

[3]余偉煒，高炳軍.萬水ANSYS技術(shù)從書.ANSYS在機械與化工裝備中的應(yīng)用：第2版[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[4]羅凱，羅鑫，黃闖，等.基于Fluent的多翼式離心風(fēng)機性能分析[J].流體機械，2014，42（7）：43-47.

[5]王培.9-19型離心風(fēng)機葉輪的有限元結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計[D].武漢：武漢工程大學(xué)，2015.

[6]周玉豐.基于ANSYS的離心泵葉輪結(jié)構(gòu)有限元分析[J].自動化與儀器儀表，2011（4）：136-137.

[7]劉建紅.離心通風(fēng)機葉輪的有限元分析[D].濟南：山東大學(xué)，2010.

[8]高平，張文燾，劉夢安，等.基于ANSYS的離心風(fēng)機葉輪有限元分析[J].機械工程師，2012（6）：59-61.

[9]黃忠文，王培，韓海燕.離心通風(fēng)機葉輪的有限元建模與應(yīng)力分析[J].流體機械，2015，（10）：27-30.