新型单级离心鼓风机叶轮的分析

摘 要：离心式鼓风机在工业生产中应用十分广泛，在各领域中多属于核心性设备。目前市场对单级离心式鼓风机的要求越来越高，高效率、大流量和高压比单级离心鼓风机的需求越来越强烈。本新型鼓风机采用优化的半开式三元后弯叶片、高气动效率的叶轮。通过使用PROE软件对叶轮进行建模，利用ANSYS对叶轮模型进行分析。

关键词：离心鼓风机；半开式三元叶轮；有限元分析

叶轮又称工作轮，是鼓风机组中唯一对介质做功的元件，可以说是整套机组中最核心的部件。叶轮质量的优良或者劣质将会直接影响到机组设备是否可以长周期稳定的工作。因为其是最主要的承力部件，所以对叶轮在材料选择、结构设计和加工制造工艺都有非常严苛的要求。叶轮发展正朝着旋转速度更高、容量更大、效率更高、重量更轻的方向发展，其在设计过程中应满足以下几点：

（a）叶轮需要为机组提供尽可能大的能量头；

（b）所设计的叶轮形式要在运行过程中保证整机的性能稳定；

（c）叶轮的效率要尽可能的高，介质通过叶轮的损失要小；

（d）所设计的叶轮型式保证机中的稳定工况区较宽；

（e）叶轮需要保证机组有较宽的高效区；

（f）叶轮的强度和质量必须符合运行要求。

1.叶轮简介

按照叶轮的弯曲形式其类型有三种，分别是前弯式、后弯式和径向式。按扭转类型分为二元叶片和三元叶片两种。近年来三元叶片在鼓风机中的应用越来越广泛，三元叶片的优点很明显，三元叶片空间扭曲改善了工作轮内气体流动的系能；速度均匀；压力分布合理；气体流动损失较小效率明显提高。工作轮按照结构形式可以分为开式、半开式和闭式三种。

本新型鼓风机配备有现代化的半开式三元叶片、高气动效率的叶轮。其加工使用先进的五坐标加工中心设备，保证精密的加工精度。叶轮的后弯式倾斜叶片能保证好的效率。并且其特性曲线显示出了明显的压力升高到喘振的限制点，因此，保证了一个稳定的控制范围。

2.叶轮强度分析

根据工作轮模型图纸选择合适的制图软件创建准确的仿真图形，在对其进行有限元计算之前运用ansys软件做合理的有限元离散并建立有限元计算模型，这些准备是可靠准确的计算结果的必要前提。叶轮结构为半开式三元叶轮，长短叶片。由于三元叶片是带有空间扭曲，使得叶片造型成为模型建立的难点。为了尽可提高所创建计算模型的高精度，在计算分析中使用了高级曲面创建命令完成了该叶片细节的工作。叶轮材质采用FV520B，材料屈服极限为1030MPa，是抵御金属极小塑性形变时候的应力，是金属材料引起屈服现象时的屈服极限。强度极限1080MPa，定义是受外部应力作用下生成破坏时出现的极限应力，亦可称之为破坏强度或者破坏应力。弹性模量21×1011牛顿/平方米，也称作为杨氏模量，其数值大小是应力除以应变的结果，是抵抗物体弹性形变的一种特性。泊松比0.3，也叫横向变形系数，它的定义是指材料在仅仅受到向内或外的激励状态下，横向正应变和轴向正应变比值的绝对值，是表现物体材料横向变形的弹性常数。在运行过程中叶片受惯性力的影响沿逆时针方向变形的趋势发展，所以叶轮根部存在有阻止这种变形趋势的反拉应力。叶轮在离心力的作用下，其有向外膨胀的趋势，最主要变形是沿径向方向。此处的最大应力值是小于材料的屈服强度1030MPa。通过分析可知当叶轮进行超转后，其不会发生生塑性变形，保证了叶轮不会对气动性能产生影响，叶轮材料的选择是符合设计要求的。

叶轮超转转速下的应力云图（前端）

3.叶轮变形分析

叶轮的型环间隙对鼓风机的性能及气动性能影响是非常大的。当工作轮在实际工况内运转运行过程中，由激励的影响会生成稳定的弹性形变，这就会缩小在静止状态内得间隙值。这一过程对鼓风机的运转可靠性、平稳性以及气动性能都有着影响。为了保证鼓风机运行的可靠性和高效率，在鼓风机理论设计过程中，对型环间隙值的设计凸显了其重要性。介质经叶轮做功后压力和温度都得到了提高，如果形环间隙值过大，介质将会大量的从叶轮出口高压高温区域倒流回入口低压低温区域，使入口温度不断升高，这种内泄露损失不但降低气动性能效率，还会造成出口压力不足，最恶劣的情况下会导致连锁停车。如果形环间隙过小，叶轮运转会产生弹性形变会刮碰到定子部件，损坏气体流道甚至损坏转子系统，严重时将产生安全事故。型环间隙过小有著非常大的安全隐患。叶轮在正常工作状态下的变形值，选择合理的间隙值是保证机组高效率、可靠性、稳定性的重要环节。叶轮变形量大的区域是设计过程中需要特别注意的地方。叶轮的变形量可以通过云图可知，这些理论分析的数值是设计的基础。

叶轮进口径向变形云图

4.小节

通过使用PROE软件对叶轮进行建模，利用ANSYS对叶轮模型进行分析。叶轮的强度分析确定了叶轮材料选择满足设计要求，叶轮的变形数值是后续设计的基础。

参考文献：

[1] 徐忠，离心式压缩机原理[M]，西安：西安交大出版社，2005.

[2] 陈良玉，机械设计基础[M]，沈阳：东北大学出版社，2006.

作者简介：

牟学甲，男，1984年生，2008年毕业于沈阳工业大学，工学学士，沈鼓集团齿轮压缩机公司压缩机设计部工程师。

（作者单位：沈阳鼓风机集团齿轮压缩机有限公司）

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