浅谈用ANSYS进行离心通风机叶轮强度分析

胡丽刚　王志军

摘 要：在通风机中，ANSYS基于长期的有限元理论与实践工程经验上发展起来的。对于风机我们使用ANSYS软件进行结构强度分析能够更贴近实际工况值，本文结合4-2X75No6E型离心通风机叶轮的强度分析过程进行了论述。

关键词：离心通风机叶轮； ANSYS；强度分析

1 概述

离心通风机是较为常见的通风机械，有一些场合用的通风机的安全性要求很高，比如矿井通风机、核电站的核级风机，这些场合的风机除了要满足气动性能外，对运行安全性有着更高的要求，尤其是核电站中使用的核级风机，在以往的设计和使用情况来看，核级风机的叶轮在设计时的安全系数通常在不加载地震激励的情况下至少应取n≥4，这样在做抗震试验时才能满足要求，不出现影响安全的情况发生。因此这就需要我们在设计阶段对一些关键部件进行强度计算，对于离心风机来说，叶轮为旋转部件，也是核心部件，运行中叶轮的安全性最为重要。叶轮的计算我们以前只能用传统的力学计算来验证。随着计算机技术的发展以及有限元软件的大量应用，其计算更能接近真实工况，计算也更为可靠和快速。因此本文采用有限元分析的方法，验证其在额定全压及离心力作用下，对离心风机叶轮中的部件叶片、轮盘、轮盖的应力和应变进行计算分析，看所做的设计方案是否能够满足相应的强度要求。

2 风机设计参数

3 分析工具

大型通用有限元计算软件 ANSYS 14.5。

4 有限元模型

本文采用基于有限元方法的大型通用数值模拟软件进行模拟分析。由于有限元方法存在离散误差，为了将该部分的误差影响尽量避免，在分析前首先对原始模型采用不同尺寸的网格进行多次的模态分析，通过查看基频随着网格尺寸逐渐细化的变化规律，在尽量缩减计算规模的前提下，得到合适的网格尺寸。即结果的网格无关性检查。然后基于此网格尺寸对模型进行完整的模拟分析。

建立叶轮模型过程中，对模型中容易出现应力集中的叶片与轮盖、叶片与轮盘交界处做圆角处理，避免出现冗余的计算结果，使计算结果更具有准确性。采用有限元分析软件ANSYS建立风机叶轮模型、划分网格、定义边界条件、求解并进行后处理，风机叶轮采用SOLID45单元进行建模，有限元模型如图1所示。

5 载荷定义

自重 （W）

以重力加速度的形式施加在整个结构上，整个结构的密度取7850kg/m3，重力加速度为9.8m/s2。弹性模量2e11 pa，泊松比0.3。

离心力载荷 （F）

风机叶轮的额定转速为1480rpm，在风机运转时将在旋转部件上产生离心力。

压力载荷 （P）

分析中设定风机叶片压力面和吸力面的压差为1110Pa。

6 分析结果

在进行结果分析时采用分工况分析，采用不同的载荷组合得出相应的工况结果，为叶轮的结构设计提供全面的理论支撑。

工况一：自重+离心力 （G+F）

风机叶轮在自重和离心力载荷作用下，其应力分布图如图2所示。风机叶轮的最大应力为104MPa，位于轮盘上与轴盘连接处的开孔上。此处可认为是由于应力集中引起的峰值应力，在远离铆钉孔的位置，风机轮盘的最大应力为49.6MPa，安全系数n=6.956。

风机叶片的最大应力为57.9MPa，安全系数n=5.959。

风机轮盖的最大应力为41.6MPa，安全系数n=8.293。

从上述工况一的计算结果来看，安全系数均n≥4，满足在设计之初预定的结果，为满足以后的抗震分析留下设计裕量。避免因为裕量过小或过大而进行的重复设计和计算，减少了设计工作量。

风机叶轮在自重和离心力载荷作用下的应变云图如图3所示。风机叶轮的最大应变为7.84×104，位于轮盘上与轴盘连接处的开孔上。叶片上的最大应变为2.94×104，轮盖上的最大应变为2.22×104。

工况二：自重+离心力+压力载荷 （G+F+P）

风机叶轮在自重、离心力和压力载荷作用下，其应力分布图如图4所示。风机叶轮的最大应力为103MPa，位于轮盘上与轴盘连接处的开孔上。此处可认为是由于应力集中引起的峰值應力，在远离铆钉孔的位置，风机轮盘的最大应力为49.0MPa，安全系数n=7.041。

风机叶片的最大应力为57.4MPa，安全系数n=6.010。

风机轮盖的最大应力为41.5MPa，安全系数n=8.313。

风机叶轮在自重、离心力和压力载荷作用下的应变云图如图5所示。风机叶轮的最大应变为7.75×104，位于轮盘上与轴盘连接处的开孔上。叶片上的最大应变为2.92×104，轮盖上的最大应变为2.21×104。

从上述工况二的计算结果来看，增加了压力载荷，计算值相较于工况一并没有较大的起伏，因此如果在初步进行计算和分析时压力载荷不大情况下可以忽略此值，对计算结果影响不大。

7 结语

通过采用ANSYS对风机叶轮进行建模和计算，并对结果进行分析，结果表明：

风机叶轮在施加重力和离心力作用时，风机轮盘的最大应力为49.6MPa，安全系数n=6.956；叶片的最大应力为57.9MPa，安全系数n=5.959；轮盖的最大应力为41.6MPa，安全系数n=8.293。风机叶片、叶轮和轮盖的安全系数较大，能够满足强度要求。

风机叶轮在施加重力、离心力和额定全压时，其应力、变形量及应变均小于重力和离心力载荷作用时的数值。这是由于作用在叶片压力面的额定全压与离心力的方向相反，在一定程度上抑制了离心力引起的径向变形；叶片径向变形量的减小使得叶轮和轮盖的应力、变形量和应变也相应减小。此应力分析的结论也更接近叶轮的实际工况。

参考文献：

[1] 商景泰.通风机实用技术手册[M].机械工业出版社，2011（08）.

[2] 李庆宜.通风机[M].华中工学院，机械工业出版社，1982（04）.

[3] 成心德.离心通风机[M].化学工业出版社2006（12）.