新型單級離心鼓風機葉輪的分析

牟學甲 劉亮 代彬

摘 要：離心式鼓風機在工業生產中應用十分廣泛，在各領域中多屬于核心性設備。目前市場對單級離心式鼓風機的要求越來越高，高效率、大流量和高壓比單級離心鼓風機的需求越來越強烈。本新型鼓風機采用優化的半開式三元后彎葉片、高氣動效率的葉輪。通過使用PROE軟件對葉輪進行建模，利用ANSYS對葉輪模型進行分析。

關鍵詞：離心鼓風機；半開式三元葉輪；有限元分析

葉輪又稱工作輪，是鼓風機組中唯一對介質做功的元件，可以說是整套機組中最核心的部件。葉輪質量的優良或者劣質將會直接影響到機組設備是否可以長周期穩定的工作。因為其是最主要的承力部件，所以對葉輪在材料選擇、結構設計和加工制造工藝都有非常嚴苛的要求。葉輪發展正朝著旋轉速度更高、容量更大、效率更高、重量更輕的方向發展，其在設計過程中應滿足以下幾點：

（a）葉輪需要為機組提供盡可能大的能量頭；

（b）所設計的葉輪形式要在運行過程中保證整機的性能穩定；

（c）葉輪的效率要盡可能的高，介質通過葉輪的損失要小；

（d）所設計的葉輪型式保證機中的穩定工況區較寬；

（e）葉輪需要保證機組有較寬的高效區；

（f）葉輪的強度和質量必須符合運行要求。

1.葉輪簡介

按照葉輪的彎曲形式其類型有三種，分別是前彎式、后彎式和徑向式。按扭轉類型分為二元葉片和三元葉片兩種。近年來三元葉片在鼓風機中的應用越來越廣泛，三元葉片的優點很明顯，三元葉片空間扭曲改善了工作輪內氣體流動的系能；速度均勻；壓力分布合理；氣體流動損失較小效率明顯提高。工作輪按照結構形式可以分為開式、半開式和閉式三種。

本新型鼓風機配備有現代化的半開式三元葉片、高氣動效率的葉輪。其加工使用先進的五坐標加工中心設備，保證精密的加工精度。葉輪的后彎式傾斜葉片能保證好的效率。并且其特性曲線顯示出了明顯的壓力升高到喘振的限制點，因此，保證了一個穩定的控制范圍。

2.葉輪強度分析

根據工作輪模型圖紙選擇合適的制圖軟件創建準確的仿真圖形，在對其進行有限元計算之前運用ansys軟件做合理的有限元離散并建立有限元計算模型，這些準備是可靠準確的計算結果的必要前提。葉輪結構為半開式三元葉輪，長短葉片。由于三元葉片是帶有空間扭曲，使得葉片造型成為模型建立的難點。為了盡可提高所創建計算模型的高精度，在計算分析中使用了高級曲面創建命令完成了該葉片細節的工作。葉輪材質采用FV520B，材料屈服極限為1030MPa，是抵御金屬極小塑性形變時候的應力，是金屬材料引起屈服現象時的屈服極限。強度極限1080MPa，定義是受外部應力作用下生成破壞時出現的極限應力，亦可稱之為破壞強度或者破壞應力。彈性模量21×1011牛頓/平方米，也稱作為楊氏模量，其數值大小是應力除以應變的結果，是抵抗物體彈性形變的一種特性。泊松比0.3，也叫橫向變形系數，它的定義是指材料在僅僅受到向內或外的激勵狀態下，橫向正應變和軸向正應變比值的絕對值，是表現物體材料橫向變形的彈性常數。在運行過程中葉片受慣性力的影響沿逆時針方向變形的趨勢發展，所以葉輪根部存在有阻止這種變形趨勢的反拉應力。葉輪在離心力的作用下，其有向外膨脹的趨勢，最主要變形是沿徑向方向。此處的最大應力值是小于材料的屈服強度1030MPa。通過分析可知當葉輪進行超轉后，其不會發生生塑性變形，保證了葉輪不會對氣動性能產生影響，葉輪材料的選擇是符合設計要求的。

葉輪超轉轉速下的應力云圖（前端）

3.葉輪變形分析

葉輪的型環間隙對鼓風機的性能及氣動性能影響是非常大的。當工作輪在實際工況內運轉運行過程中，由激勵的影響會生成穩定的彈性形變，這就會縮小在靜止狀態內得間隙值。這一過程對鼓風機的運轉可靠性、平穩性以及氣動性能都有著影響。為了保證鼓風機運行的可靠性和高效率，在鼓風機理論設計過程中，對型環間隙值的設計凸顯了其重要性。介質經葉輪做功后壓力和溫度都得到了提高，如果形環間隙值過大，介質將會大量的從葉輪出口高壓高溫區域倒流回入口低壓低溫區域，使入口溫度不斷升高，這種內泄露損失不但降低氣動性能效率，還會造成出口壓力不足，最惡劣的情況下會導致連鎖停車。如果形環間隙過小，葉輪運轉會產生彈性形變會刮碰到定子部件，損壞氣體流道甚至損壞轉子系統，嚴重時將產生安全事故。型環間隙過小有著非常大的安全隱患。葉輪在正常工作狀態下的變形值，選擇合理的間隙值是保證機組高效率、可靠性、穩定性的重要環節。葉輪變形量大的區域是設計過程中需要特別注意的地方。葉輪的變形量可以通過云圖可知，這些理論分析的數值是設計的基礎。

葉輪進口徑向變形云圖

4.小節

通過使用PROE軟件對葉輪進行建模，利用ANSYS對葉輪模型進行分析。葉輪的強度分析確定了葉輪材料選擇滿足設計要求，葉輪的變形數值是后續設計的基礎。

參考文獻：

[1] 徐忠，離心式壓縮機原理[M]，西安：西安交大出版社，2005.

[2] 陳良玉，機械設計基礎[M]，沈陽：東北大學出版社，2006.

作者簡介：

牟學甲，男，1984年生，2008年畢業于沈陽工業大學，工學學士，沈鼓集團齒輪壓縮機公司壓縮機設計部工程師。

（作者單位：沈陽鼓風機集團齒輪壓縮機有限公司）