基于Workbench 的离心叶轮结构优化设计

靳亚峰，范小平，赵先波，罗方，覃小文

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

能源装备企业肩负着国家能源转型发展的使命与担当，储能是公司落实国家“双碳”政策，推动科技创新、产业转型而重点发展的新型产业。二氧化碳由于其工质密度大，存储成本低；容量大、储能时间长、安全可靠；系统建设选址对地理条件无特殊要求等特点，是一种比较理想的压缩气体储能方式，所以二氧化碳储能是公司储能产业发展的优先方向。

叶轮是离心式压缩机级中唯一对气体做功、使气体获得能量的元件，其性能对压缩机整级性能有着至关重要的影响[1]。大型离心式压缩机是衡量一个国家装备制造业发展水平的标志性设备之一[2]。叶轮的安全性和叶轮与转子之间的接触状态直接影响整个机组的安全性。国内外对压缩机叶轮强度分析和结构优化的研究很多，Ramamurti 等通过循环对称方法，对涡轮增压器中的离心叶轮用简化模型有限元方法进行了应力分析[3]，扬阳等应用ANSYS 对某压缩机半开式叶轮进行了应力分析和模态分析[4]。

本文以某二氧化碳储能项目的基本级叶轮为研究对象，由于该项目压比大，对应的能量头较大，叶轮的外径大，需要选用相对较高的叶轮线速度。运用大型有限元分析软件Workbench 对叶轮的强度和叶轮与转子的接触进行分析，并探讨影响离心式压缩机叶轮安全性的主要因素，为后期叶轮结构优化提供指导性建议。

1 有限元模型的建立和计算边界条件

本文研究的叶轮为闭式三元叶轮。叶轮和转子材料均为合金钢，材料的物理属性见表1。

表1 叶轮和转子材料的物理属性

本文采用NREC 软件对叶轮造型，导入Pro-e进行轮盘的结构设计。叶轮三维模型如图1 所示。

图1 叶轮三维模型

本机组的装配方式为红套，叶轮和转子过盈配合，机组为定速运行的压缩机机组。本文对工作状态下的叶轮应力情况进行分析，研究叶轮几个重要的结构设计尺寸对叶轮应力的影响。

2 网格无关性论证

网格质量直接影响到有限元的分析结果，用Workbench 对单扇区叶轮进行网格划分，首先进行了网格无关性论证，分别对叶轮和转子进行2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm 的网格划分，对局部倒圆角和叶轮进气边进行网格细化，网格尺寸为0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm，发现叶轮网格尺寸控制在4 mm、转子网格尺寸控制在6 mm，倒圆角网格尺寸控制在1 mm，强度分析结果趋于稳定，进一步细化网格，对结果影响不大。叶轮网格划分如图2 所示，此时单扇区的网格数在5万左右。

图2 叶轮网格划分图

3 结构优化设计

考虑到机组的气动性能，叶轮结构优化暂不对叶片成型规律进行改变，避免叶轮内部流道变化引起气动性能的变化，结构优化主要包括以下几个方面：叶片的厚度、叶片根顶部倒角、轮毂的结构尺寸、导流锥的结构尺寸、叶轮与转子接触面的轴向长度。

离心叶轮的结构设计，首先要根据叶轮外径尺寸确定叶片厚度和根顶部倒圆角的大致范围，再进一步进行结构设计的细节优化。本文首先对叶片厚度和根顶部倒圆角对应力的影响进行评估，分析结果如图3 所示。由图3 得知，叶片厚度增加，叶轮的刚性增强，整个叶轮的应力呈下降趋势。根顶部圆角增加也会降低叶轮应力。

图3 叶片厚度和根顶部圆角对应力的影响

工程实际中，叶片厚度和倒角过大不仅会影响整个流道的通流面积，而且会增加叶轮重量，从而影响到转子的强度振动。因此，叶轮结构设计一般会综合考虑气动性能、叶轮强度、转子强度，选取结构相对合理的叶片厚度和根顶部倒角。此级叶轮选取叶片厚度为4 mm，倒圆角为3 mm。

进一步对二氧化碳储能项目叶轮的轮毂、导流锥、叶轮与转子接触面轴向长度进行结构设计，三维有限元分析结果如图4 所示。

图4 优化前叶轮的三维分析结果

由图4 分析结果可以看出，目前的叶轮结构设计中叶轮倒圆角部位局部应力接近材料的屈服强度，且叶轮和转子在工作状态下有前倾趋势。究其原因，可能是口圈位置导流锥尺寸太大，叶轮质心靠近入口位置，导致叶轮在工作状态下有前倾趋势。

为了改善叶轮和转子的接触状态，进一步对二氧化碳储能项目叶轮的轮毂、导流锥、叶轮与转子接触面轴向长度进行结构优化设计。根据三维分析结果，将导流锥的尺寸适当减小，同时加大轮毂位置的倾角，增大轮毂厚度，调整叶轮的质心位置。结构尺寸改动示意图如图5 所示。

图5 叶轮主要优化结构尺寸示意图

对优化后的叶轮进行三维建模，重新评估叶轮的强度。三维分析结果如图6 所示。

图6 优化后叶轮的三维分析结果

由分析结果可以看出，优化后的叶轮结构最大应力在叶轮倒圆角部位，局部应力有明显下降。与优化前相比，在工作状态下叶轮和转子的接触状态良好。

4 结论

本文在保证气动性能不变的情况下，运用大型有限元分析软件Workbench 对叶轮的强度和叶轮与转子的接触状态进行了分析。研究表明叶片厚度、根顶部圆角的适当增大会降低叶轮的应力。通过调整轮毂的结构尺寸、导流锥的结构尺寸、叶轮与转子接触面的轴向长度，改变叶轮质心的位置，不仅可以改善叶轮和转子之间的接触状态，也可以有效降低叶轮的应力。