半开式叶轮强度分析与结构优化

采用的模型是某基本级的叶轮，此叶轮为 半开式的三元流叶轮，叶轮外径为 250mm，材料 为合金钢，泊松比 v=0.28，屈服强度为 850MPa， 强度极限为 920MPa，密度为 7800kg/m3，杨氏弹 性 模 量 为 2.1 ×1011N/m2， 抗 剪 模 量 为 7.9 × 1010N/m2。
通过有限元分析，发现结构刚性不足的 地 方 ，针 对 这 种 结 构 和 结 构 装 配 的 需 要 ，改 进 结构，使得叶轮的结构设计满足强度和刚度 的要求。
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图 9 叶轮改动后应力云图
3 结论
通过对半开式基本级叶轮的有限元分析得 到以下结论：
（1）考虑了倒角的叶轮有限元模型，提高了 模型的准确型；
（2）针对半开式叶轮的特点，划分以六面体 单元为主的网格，在关键的倒角处及叶片上都 使用六面体单元，提高计算精度，避免应力集 中，得以较为准确的模拟叶轮工作状态下的受 力情况；
（3）通过有限元分析，发现结构设计中的不 足，改进结构模型，使得叶轮满足强度和刚度要 求，为结构设计者提供理论依据。
参考文献
1 模型
The S tre ngt h Ana lys is a nd S tructure Optimiza tion of S e mi- ope n Impe lle r Abs tra ct: Firstly, the Ug and SOLIDWORKS are applied to establish the 3- D model considering semi- open basic stage impeller of fillet. Then, the ANSYS is used to carry out the finite element analysis of strength and stiffness. Finally, the reasonable basic stage impeller meeting the requirements of strength and stiffness is obtained through the process of finding problem and improving model structure. Ke y words : centrifugal compressor; semi- open impeller; strength analysis; structure optimization
注的是叶轮上的应力，不关注叶轮与主轴之间 的相互作用，模型简化后，约束叶轮内孔，施加 离心力，转速为 30000r/min，应力云图见图 5，最 大综合应力为 970MPa，远大于材料的屈服强 度，所以必须调整结构以满足强度要求。
图 2 叶轮有限元网格模型
图 5 叶轮等效应力云图
观察应力云图发现，应力较大的点都集中 在叶片与轮盘交接处，且在轮盘刚性较弱的凹 槽处，造成叶轮在离心力作用下位移也较大，位 移云图见图 6，最大位移在长叶片的最远端，为 2.158mm。
图 3 叶轮倒角处有限元网格模型
图 4 叶轮叶片有限元网格模型
2.2 分析结果 根据叶轮在运行过程中的特点，叶轮与主
轴过盈装配后，在主轴传动下旋转工作，这里关
图 6 叶轮位移云图
结论是由于轮盘上的凹槽引起叶轮整体刚 性不足，导致此处出现应力集中，且造成位移较 大。针对这种情况，需要提高此处的刚性。 2.3 结构调整 2.3.1 去掉凹槽
加了叶轮的装配难度。原来留凹槽是为了便于 油 压 装 配 该 叶 轮 ，从 这 个 角 度 考 虑 问 题 ，只 能 减 小 凹 槽 ，而 不 能 直 接 去 掉 凹 槽 ，最 终 改 动 见 图 8。
（a）改前
（b）改后
图 8 叶轮轮盘改动示意图
改动后等效应力云图见图 9，最大应力也在 叶片与轮盘交接处的凹槽处，但最大应力为 791.614MPa，小于材料的屈服强度，叶轮的最大 位移为 1.71mm，改动后的叶轮可以满足强度与 刚度要求。 2.4 分析小结
为提高刚性，将轮盘上的凹槽去掉，采用同 样的分析方法，得到应力云图见图 7，最大应力 为 753.742MPa，最大位移为 1.56mm，满足强度 及刚性的要求。
凹槽去掉后应力和位移都有大幅的减小。 说明这种改进方法可行。
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2010 年第6期
设计计算
图 7 叶轮改后应力云图
2.3.2 减小凹槽 直 接 去 掉 凹 槽 对 强 度 来 说 是 最 好 的 ，但 增
2010 年第6期
设计计算
半开式叶轮强度分析与结构优化
张小龙 周亚锋 苗福源 */ 西安陕鼓动力股份有限公司
摘要：首先用 Ug 和 SOLIDWORKS 联合建立了 考 虑 圆 角 的 半 开 式 基 本 级 叶 轮 的 三 维 模 型 ，然 后用 ANSYS 对其进行了强度及刚度的有限元 分析，通过发现问题、改进模型结构的过程，最 后得到合理的满足强度和刚度要求的基本级叶 轮。
关键词：离心式压缩机；半开式叶轮；强度分析；
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结构优化
中图分类号：TH452
文献标识码：B
文章编号：1006－8155（2010）06－0032－03
究是非常必要的。 叶轮是离心压缩机的关键部件，直接关系
到机组的运行效率和安全[2]，然而我公司的基本 级已不能完全满足设计的要求，其开发工作显 得尤为重要，特别是大流量基本级的开发更是 迫在眉睫。本文选用的模型就是陕鼓动力公司 正在开发的大流量半开式基本级叶轮，对其进 行强度及刚度分析具有重要意义[3－7]。
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收稿日期：2010- 04- 14 西安市 710075 * 本文其他作者：徐海霞 段纪成 / 西安陕鼓动力股份有限公司
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图 1 三维 CAD 模型
2 有限元分析
2.1 有限元模型 将三维实体模型导入有限元分析软件
ANSYS 中，以六面体单元为主，辅以四面体单元 对模型进行网格划分，网格大小控制为 2.5mm， 得到有限元分析模型见图 2~ 图 4。
由于叶片型线复杂，选用数据处理功能强 大的 Ug 建立了叶片模型，导入 Solidworks 后建 立了轮盘部分，形成叶轮模型，见图 1。
0 引言
随着我国经济的快速发展，各种风机在冶 金、石油化工、天然气输送、制冷、空分以及动力 等工业部门获得了广泛的应用，离心压缩机[1]的 可靠性问题制约着它的发展，因此对其深入研