h100kW压气机离心叶轮优化设计

脱烨/中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

h100kW压气机离心叶轮优化设计

脱烨/中航工业哈尔滨东安发动机（集团）有限公司

通过对设计的100kW压气机离心叶轮进行强度校核时，发现其结构和强度都存在一定的问题。我们采用在轮盘背部挖导力锥和调整离心叶轮中心与叶轮支撑中心相对位置的方法，来降低叶轮强度。又改变其原有的结构形式和材料。对优化后的设计分别进行静强度和动强度分析。优化后的设计能够满足结构和强度要求。

离心叶轮；导力锥；强度分析；模态分析

一、绪论

100kW压气机是“十一五”国家863计划微型燃气轮机重点项目“100kW级微型燃气轮机及其供能系统”的主要研究内容之一。其设计要求是，离心压气机流量为1.12kg/s，增压比为3.34，效率不低于77%，并要满足一定的喘振裕度。在验证100kW压气机离心叶轮能否安全可靠运行的时候，发现其在工作转速（45000rpm）和超转速（54000rpm）下，结构与强度都存在一定的问题。因此我们对离心叶轮进行了一系列的优化，对每一种优化都做了强度与可靠性的分析计算，得出最终的设计方案。

二、最初设计的100kW压气机离心叶轮

最初设计的100kW压气机离心叶轮的结构形式是叶轮的内孔装有轴套，并采用过盈形式装配。在叶轮的前后端面分别用销子固定住叶轮与轴套。叶轮材料为2618A，轴套为 40CrNi M oA，销子为38CrA，通过强度计算，得到叶轮最大应力（745.3M Pa）远大于其屈服极限（340M Pa）和断裂极限（410M Pa）。叶轮轴套孔与轴套脱开，不能满足工作要求。我们需要对其结构进行优化。

三、分析影响离心叶轮强度的因素

从计算结果看，在叶轮与轴套配合处加销子的做法意义不大。因为叶轮与轴套的材料不同，在受离心载荷作用下，叶轮的变形量远大于轴套的变形量，配合的过盈量又不够，工作时销子受较大的剪切力，容易被剪断。且在销孔处有很大的应力集中，叶轮将被破坏。所以我们要取消销子的结构。

离心叶轮采用的材料是铝合金2618A，在超转速试验时最大等效应力计算值大于材料许用应力值，材料强度不能够满足要求。

叶轮流道是经过气动设计确定的，叶片形式不能更改，因此结构优化的焦点就放在轮盘上。我们从改变叶轮质心着手，通过在轮盘背部挖“导力锥”的方法改进叶轮轮盘结构降低叶轮应力。

基于离心叶轮的轮毂形状和叶片形式（有11个长叶片和11个短叶片）使得叶轮的质心位置偏向后端。所以我们想到在轮盘背部挖“导力锥”使质心位置前移。这样可以将离心应力引导向前，使轮盘前端材料也承担拉压应力。我们尝试了多种挖导力锥的方法，使质心在尽量前移的同时，叶轮的整体强度还能满足要求。我们对多种尝试的模型进行计算，得到的结果中，最为满意的是：叶轮最大应力为393.9M Pa，位置在轮盘凸台倒角处。叶轮轴套孔最大径向位移为0.081m m，位置在轴套孔内表面。叶轮位移最大值为0.772m m，位置在轮盘外缘。此时叶轮的质心为比原来的3m m，即叶轮的质心向轮盘支撑部分的中心靠近了。

由计算结果看出，在轮盘背部挖导力锥确实降低了叶轮应力，但叶轮所受的最大应力仍然大于材料的屈服极限。且叶轮轴套孔的径向位移量仍然很大，在超转试验时，叶轮与轴套依然存在脱开的可能。

挖导力锥使叶轮质量减小的因素不可忽略，而且仅仅挖导力锥改变叶轮质心的幅度太小，很难清晰看出单纯改变叶轮质心与轮盘支撑中心相对位置的效果。所以调整轮盘支撑部分结构是另一种改进轮盘的方法，其思路是改变支撑中心坐标，达到支撑中心靠近叶轮质心的目的。这种想法颇具逆向思维的风格，在不减小质量的前提下，极大的缩小质心与叶轮支撑中心的距离，并且排除了质量变化对叶轮应力的影响。将轮盘背部挖掉的部分补到轮盘前端的轮盘型线上。

四、改进优化后的离心叶轮

对原叶轮结构做了一系列的改进，包括取消销子结构、在轮盘背部挖导力锥、调整轮盘支撑部分结构等。这些改进都有效的降低了叶轮应力，但由于材料不同，离心叶轮的变形量远远大于轴套的变形量。考虑到装配时的可行性，二者之间的过盈量又不能太大。所以在高转速工作条件下，叶轮与轴套有脱开的可能。

综上考虑，我们将取消轴套的结构，使叶轮与轴套成为一体。原叶轮的材料是铝合金，轴套的材料是不锈钢。二者合二为一后，选用了钛合金作为整个离心叶轮的材料。

对整体式的叶轮进行强度计算，得到的最大应力及变形量均能满足设计要求。

五、结论

通过对原设计的100kW压气机离心叶轮的强度进行分析，发现其结构存在一定的问题，不能满足强度可靠性要求所以需要我们对其结构进行改进优化。由于叶片形式是由气动设计给出的，不能改变，那么改进的焦点就放在叶轮的轮盘上。

我们采用调整叶轮质心与轮盘支撑中心的方法，对叶轮进行改进。在叶轮背部挖导力锥，将去掉的质量加到轮盘前端的轮盘型线上，使支撑中心靠近叶轮质心。我们尝试了多种方案，进行了计算。通过计算的结果看，我们采取的方法是可行有效的，大大的降低了叶轮的应力。但其受到的最大应力仍然大于材料的屈服极限，且叶轮与轴套在工作中有脱开的危险。所以我们取消销子和轴套将叶轮设计成整体式的。选用的材料通过比较最终确定为钛合金。对改进后的叶轮在工作转速和超转速下分别做了强度计算，分析其应力和变形。又对叶轮和叶片分别做了模态分析，最后得出结论，改进后的叶轮在静强度和动强度方面都满足设计要求。

【1】童榴生，离心式压缩机叶轮的结构与应力，风机技术1998.

【2】席光，郭常青，离心叶轮的应力数值分析与结构优化，流体机械2004.

【3】徐芝纶、弹性力学.北京：人民教育出版社，1979.

【4】宋永，精通ANSYS7.0有限元分析.清华大学出版社，2003.