高压比离心压气机叶轮强度分析研究

周 进，谢卫红，王 毅

(1.中国航发南方工业有限公司，湖南 株洲 412002； 2.中南大学 航空航天学院，湖南 长沙 410083)

0 引言

由于离心压气机具有结构紧凑、压比高、可靠性高、制造方便、成本低廉、工艺性好及较宽的稳定工作裕度等优点，使其广泛用于航空石化等行业流体工质的增压装置，而叶轮是离心压气机最重要的工作元件之一，其可靠性的设计对整体燃气轮机的安全运行都有着重要的影响[1]，因此对叶轮在工作状态下的结构强度分析具有重大意义。

理论以及数值计算一直是对机械设备进行结构强度分析的主要方法，但是对于高压比离心压气机的叶轮来说，其结构复杂并且旋转速度较高，故用理论计算方法很难准确计算其结构强度，以往主要靠长期积累经验进行相应设计，而计算机技术的应用使得数值计算方法得到了进一步发展，当今利用计算机已经成为了研究人员对产品分析设计的重要手段。

目前，国内外有关离心压气机流场计算的文献较多，其主要针对叶轮的前缘形状、进口导叶[2]以及有叶扩压器的形状设计对离心压气机的气动性能的影响，但是对叶轮的结构强度计算较少，相关的结构可靠性文献发表也较少。本文基于大型CAE前处理程序ANSA，根据离心压气机结构设计方案，建立了可以准确描述

离心压气机叶盘结构特征和力学特征的有限元模型，结合离心压气机叶盘结构的载荷环境和约束条件，通过计算得到了线弹性范围内的静强度分析结果，并给出了相应的分析评价。

1 研究对象

本文研究的离心压气机叶轮为叶盘一体式结构，由轮盘和13组大小叶片组成，如图1所示，叶轮转速为27 245 r/min。

图1 离心压气机叶轮三维渲染图

该离心压气机叶轮使用的材料为TC11，在正常工作条件下，离心叶轮进口温度为20 ℃，出口温度约为350 ℃左右，不同温度下TC11的物理性能和力学性能参数如表1所示。

表1 TC11材料的性能数据

2 强度分析

基于模型的循环对称性，采用一个扇区作为计算对象。选取整体结构的1/13，采用高阶3维20节点Solid186六面体单元，建立了一个基本扇区的有限元模型。为了更加准确地分析过渡圆角处的应力、应变，在相应位置采用了相对稠密的网格，离心叶轮基本扇区的有限元模型如图2所示。

对于离心压气机叶轮结构，其承受着质量离心力、热载荷、叶片及前后盘腔气动力、盘与轴的装配应力以及叶盘的振动应力等，其中离心载荷和热载荷占主要成分，因此，强度计算中只考虑了离心载荷和热载荷。

图2 离心压气机叶盘结构1/13扇区有限元模型

根据离心压气机叶盘结构的安装状态，确定其约束条件如下：①离心压气机圆弧端齿处施加轴向约束；②为了防止离心压气机产生刚体位移，在圆弧端齿面的某个节点处施加周向约束。

结合离心压气机叶盘结构载荷和约束条件的分析结论，综合考虑其工作状态时受到的离心载荷和热载荷，对基本扇区有限元模型中边界条件的施加处理为：离心载荷，工作转速27 245 r/min施加到所有单元上；热载荷，采用均温350 ℃施加到所有节点。

图3给出了离心叶轮表面应力分布，可以看出，离心压气机叶盘结构在离心载荷和热载荷耦合作用下，最大应力发生在盘心孔处，其值为633 MPa；次大应力出现在轮盘后缘的过渡圆角处，其值为495 MPa，叶轮的材料为钛合金TC11，200 ℃下其屈服强度为664 MPa，强度极限为885 MPa，最小安全系数为1.398，因此满足强度设计要求，在离心载荷的作用下，整个叶轮的材料均处于弹性状态。

图3 离心叶轮表面应力分布

图4给出了离心叶轮轴向和径向变形，可以看出，离心压气机结构在离心载荷和热载荷耦合作用下，离心压气机叶片前缘和尾缘径向变形数值分别为0.425 mm和0.997 mm；离心压气机的最大轴向变形为0.774 mm。

图4 离心叶轮变形分布

离心压气机设计转速为27 245 r/min，若保证10%的裕度，要求共振点不在24 520 r/min～29 970 r/min范围内。离心叶轮后方有径向扩压器叶片19片，扩压器叶片所产生的气流激励与气流畸变是可能导致离心压气机叶片共振的主要激振源，根据其引起的19倍转速激振，同时考虑机匣等静子部件有可能存在加工偏差所引起的1倍、2倍、3倍转速激振，获得的离心压气机大叶片和小叶片振动特性如图5所示。由图5可以看出，大叶片在24 520 r/min～29 970 r/min范围内不存在共振点，小叶片共振危险点为叶片5阶固有频率线与19倍转速线的交点，然而5倍频下振动能量相对较小，因此，小叶片振动同样满足设计要求。

3 结论

基于CAE分析软件，建立可以准确描述离心压气机叶盘结构特征和力学特征的有限元模型，结合离心压气机叶盘结构的载荷环境和约束条件，通过计算得到了线弹性范围内的静强度分析结果，获得以下主要结论：

(1) 钛合金TC11离心叶轮200 ℃下其屈服强度为664 MPa，强度极限为885 MPa，最小安全系数为1.398，满足强度设计要求。

(2) 大叶片在24 520 r/min～29 970 r/min范围内不存在共振点，满足设计要求。

(3) 小叶片共振危险点为叶片5阶固有频率线与19倍转速线的交点，然而5倍频下振动能量相对较小，小叶片振动也满足设计要求。

图5 离心压气机叶片坎贝尔图

参考文献：

[1] Wang Y,Wang H,Zhang X,et al.Strength analysis on stamping and welding impeller in centrifugal pump based on fluid-structure interaction theorem[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2011,27(3):131-136.

[2] Tan L，Cao SL，Gui SB.Hydraulic design and pre-whirl regulation law of inlet guide vane for centrifugal pump[J].SCIENCE CHINA Technological Science,2010,53(8):2142-2151.