离心式通风机叶轮动应力的测量

王增贵

（新闻出版广电总局六五四台 831100）

离心式通风机叶轮动应力的测量

王增贵

（新闻出版广电总局六五四台 831100）

离心式通风机是工业生产部门使用非常广泛的一类机械设备，在电力、石油、化工等领域发挥着重要作用，其能否安全运行直接关系着各个生产部门的经济效益。叶轮是风机最为关键的部件，它的强度不足或疲劳破坏会造成风机事故。本文以G4-73N0.8D离心式通风机叶轮为研究对象，对离心式通风机叶轮动应力进行了测量，旨在提高通风机的工作效率。

离心式通风机；叶轮；动应力；测量

叶轮机械中，叶轮是最为关键的部件，其性能好坏直接关系到叶轮机械运行的可靠性、安全性与经济性。近年来，随着风机向高参数、高性能方向发展，使叶轮的工作环境更加恶劣，再加上传统叶轮强度计算方法对叶轮进行了大量的简化，导致计算误差一般较大，所以有关叶轮失效的事故时有发生。研究表明，大型离心通风机叶轮由交变应力引起的高周疲劳断裂是其主要断裂形式，而叶轮内部的非定常流是引起交变应力的主要因素。

1 离心式通风机叶轮动应力特性的模态分析过程与结果分析

模态分析是用来计算结构的固有频率和振型分布的，如果叶轮结构的固有频率与工作的旋转频率相重合或者相接近，就有可能引起共振。此外，叶轮经常受到各种因素造成的稳定和非稳定的流体激振力的作用，如果激振力的频率与叶轮在流体中的固有频率相同或者接近时也同样会有可能引发共振，在共振条件下极易引起叶轮结构的破坏。因此，在设计过程中，必须进行模态分析。

进行模态分析时，假设叶轮结构为自由振动并且忽略阻尼的影响，此时方程将变为Mx..+Kx=0。

模态分析又分为无预应力模态分析和预应力模态分析，具体分析流程如图1所示。在一些情况下，还需要考虑预应力效应，因为在载荷的作用下，结构的应力状态可能会影响自身的固有频率。在求解预应力模态分析的过程中，ANSYS程序内部需要执行两个迭代过程：首先进行线性静力分析，再基于静力分析的应力状考虑应力硬化矩阵，然后求解预应力模态分析。此外，对于模态分析，由于没有激励作用在结构上，因此振型只是与自由振动相关的相对值，而不是绝对值。

图1 模态分析流程图

软件ANSYS提供了多种模态提取方法，如Block Lanczos法、子空间法、Power Dynamics法和缩减法。其中Block Lanczos法为默认提取方法，它米用Lanczos算法，用一组向量来实现Lanczos递归计算。这种方法和子空间法一样精确，但速度更快。本文釆用Block Lanczos法进行模态提取，该方法的优点是仅通过矩阵的相乘运算即可获得结构离散化模型较好的假设模态矩阵，它所张成的模态空间能有效地逼近结构离散化模型的低维模态空间，并且这种方法一般不会发生漏根现象。

首先进行不考虑预应力效应的模态分析，模拟叶轮在静态下的固有频率（频）和振型变化情况。然后进行考虑预应力效应的模态分析，模拟叶轮在正常工作下的固有频率（动频）和振型变化情况，计算结果见表1。

由表1中的数据可知：

（1）预应力对叶轮结构的固有频率有一定的影响，使各阶固有频率有所提高，但提高的幅度较小，其中最大提高幅度为2.6%，但叶轮结构的固有频率主要还是由叶轮自身物理属性和结构分布来决定的。

表1 叶轮的固有频率

（2）叶轮结构的固有频率在三种不同载荷工况下基本保持不变，从中可以看出由重力和气动力的作用所产生的预应力对叶轮结构的固有频率基本没有影响，在实际计算时可以将这两种力忽略不计，而只考虑离心力的作用。

（3）叶轮结构的固有频率有重频现象，这是因为从结构上来讲叶轮是循环对称结构。

2 离心式通风机叶轮振动特性研究

叶轮工作时受到的气动力是随时间变化的，这样就会使叶轮产生振动。当叶轮的固有频率等于激振力的频率或其整数倍时就会有产生共振的危险，从而使叶轮疲劳断裂。叶轮振动可以通过两个方面来影响流场：①通过结构振动对流体边界的影响；②通过结构振动所激励的弹性波即声场对流场的影响。由于叶轮本身变形非常小且振动产生的位移也非常小，再加上流体不可压缩，特征马赫数远小于1，因此叶轮振动对流场的影响基本可以忽略不计。

2.1 风机非定常模拟结果与分析

首先对风机进行定常流动数值模拟，然后以这个定常结果作为非定常流动数值模拟的初始条件进行瞬态模拟。本文瑞流模型选择SSTk-w两方程瑞流模型，它是由Menter从标准免模型的基础上发展而来的。将叶轮旋转一周分成360个时间步，即将时间步长设定为1.149×10-4S，设定风机入口边界条件为速度入口，出口边界条件为压力出口，风机壁面均按光滑壁面处理，并采用无滑移壁面边界条件，壁面函数釆用自动壁面函数。静止区域（进口段和锅壳）与旋转区域（叶轮）的交界面釆用瞬态转子-静子（Transient Rotor-stator）模型，风机各个部分之间采用GGI方法进行连接。

在风机稳定运行工况内，取三个流量（分别为0.84、1.0和1.16倍的设计流量）进行非定常数值模拟，其中设计工况下风机体积流量为6.318m3/s，计算中忽略重力对流场的影响。计算稳定后始采样，共采集两周数据。在叶轮的出口处和一个流道内布置监测点，监测点1-7所在平面为轮盖与轮盘之间的中间平面，与轮盘的距离为10cm，此外，监测点8和9分别为靠近轮盖和轮盘侧，与点6X、Y坐标相同、Z坐标不相同点。

2.2 叶轮振动特性分析

由上述模拟的结果分析可得知，因此可以推断叶轮在非定常气动力的作用下，在轮盖外缘附近区域将形成局部共振，叶轮在三种载荷共同作用下，轮盖外缘附近区域的变形量和等效应力都较小，且等效应力远小于叶轮材料的疲劳极限，所以该区域不会发生疲劳破坏。

3 结语

综上所述，通过对离心式通风也机轮动应力的测量更加真实的反应实际情况，从而得到钢架准确的结果，保障离心式通风机的正常工作。

[1]何立东，袁新，何丽娜.离心压气机扩容改造中的转子动平衡[J].热能动力工程，2001，16（2）：202～204.

[2]彭鑫，蔡兆麟.大型离心通风机叶轮的三维应力计算[J].风机技术，2001（2）：25～28.

TH432

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1004-7344（2016）13-0093-02

2016-4-20