基于UG的透平压缩机转子叶轮的有限元分析

▲ 图 １ 过 盈 量０ ４ｍｍ时 的叶 轮 应 力 云 图 ３ ．
▲ 图 ｌ 过 盈 量０ ４ｍｍ短 叶 片 根 部应 力 云 图 ４ ．
知 ， 轴 配 合过盈 量 至少 大 于０３ 孔 ．
ｍ ｍ ０
３ ２ 考 虑 过 盈 装 配 条 件 下 的 叶 ．
轮 强度
由以 上 分 析 可 知 ， 轴 装 配 孔
高 达 每 分 钟 上 万 转 ） 其 离 心 产 生 的 惯 性 力 对 叶 轮 的 破 ，
坏 是 不 可 轻 视 的 ， 一 影 响 甚 至 大 大 超 过 高 速 气 流 冲 这
刷对 叶片的破坏 。
至 于 过 盈 量 ， 轮 和 轴 的装 配 随 着 过 盈 量 增 大 ， 叶 其
接 触 面 和 接 触 应 力 都 增 大 ， 过 小 的过 盈 量 会 导 致 松 而
０ ３ｍｍ 如 图 ３。 盈 量 取 Ｏ ４ ｍｍ 如 图 ４， 盈 量 取 ０ ５ ． 过 ． 过 ．
虑 到 整 体 结 构 是 实 体 结 构 ， 以 采 用 ３ 四面 体 １ 节 点 所 Ｄ ０
单元模 拟划 网格 ， 图２ 示 。 如 所
２ 压缩机叶轮静力学有限元分析
★浙 江 省科 技 厅 资 助项 目（ 号 ：０ ７ １Ｓ ０ ８ ８ 编 ２ ０ Ｃ １Ａ１０ １ ） 收 稿 日期 ：０ ８ ８ ２０ 年 月
３ 叶 轮 强度 分 析
３ １ 忽 略 装 配 因 素 ， 叶 轮 强 Ｉ＿ 变 形 的 分 析 ． 对 ｆ和
部 ， 由 受 力 云 图 可 知 这 区 域 的 应 力 不 大 ， 可 不 考 但 故 虑 ， 我 们 关 心 的是 叶轮 在无 装 配 约 束 条件 下 其孔 而 变 形 量 多 大 ， 是 至 关 重 要 的 ， 为 当 孔 轴 配 合 的 过 盈 这 因
１强度 分 析 。 图８ 析 结果 可 知 ， 无 装 配 条件 ） 由 分 在 下 叶 轮 的应 力 最 大 值 为 ７ ９ＭＰ ， 现 在 两 个 区 域 ， ３ ａ 出 一
个 是 在 前 盖 出 口 端 的 ＃－ 面 ， 结 果 小 于 材 料 屈 服 值 １ 表 其 ８ ３ＭＰ 由 于 其 位 于 叶 轮 外 端 ， 在 气 流 流 道 以 ＃－ 不 ８ ａ， 处 １ ，
文章 编 号 ：０ ０— ９ ８２ ｏ ）２— ０ ０— ３ １ ０ ４ ９ （０ ９Ｏ ０ １ ０
透平 压 缩机 是 重 大工程 成 套装 置 的重 要设 备 ， 被 广 泛应 用 于冶金 、 油化 工 、 化 工 、 药 、 肥 、 水 石 煤 制 化 污 处 理 、 气 站 和航 天 试 验 等 领 域 ， 国 民 经 济 中起 着 重 供 在 要作 用 。 在 离 心 式 压 缩 机 中 ， 轮 设 计 的 好 坏 ， 压 缩 机 的 叶 对
特 性 起 着 决 定 性 作 用 。 项 目 叶 轮 为 一 轴 流 式 三 元 闭 本
式 叶 轮 ， 于 叶 轮 的设 计 和 过 盈 量 的 确 定 通 常 是 根 据 对
经验公式 来计算 或进 行选 取 。 而， 也 正是一 元设计 然 这 的 不 确 定 之 处 。 心 式 压 缩 机 叶 轮 在 高 速 旋 转 时 （ 常 离 通
基于 Ｕ Ｇ的透 平压缩机转子叶轮的有限元分析
口 童水光 口 卢 超 口 马海波 口 余 跃 口 陈 林 口 葛俊 旭
浙 江 大 学 机械 与 能 源工 程 学 院 杭 州 ３０ ０ １００
★
摘
要：在 Ｕ Ｇ最新发 布的 Ｎ ６ Ｏ Ｘ ．环境下进行透平压缩机的转子有限元分析 ， Ｕ Ｃ Ｄ模 式下对转子进行 实体建 在 Ｇ— Ａ
ｍｍ 如 图 ５ 过 盈 量 取 Ｏ ６ ， ． ｍｍ 如 图 ６ 示 。 所 在静 态 条件 下拟 合 不 同过盈 量 的最 大 应力 图 ， 如
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机械制造４ 卷 第 ｓ４￣ ７ ３ｌ
图 ７ 刁 所 。
虑 离 心 应 力 时 ， 大 变 形 出 现 在 进 气 口 端 长 叶 片 的 牛 最
为 ０ １ ０７ｍｍ。 ． ２ ’
受 高 速 气 流 直 接 冲 刷 ， 然 应 力 计 算 较 大 ， 危 险 较 虽 但
小 ， 一 个 出 现 在 短 叶 片 进 气 口 端 根 部 ， 图 ９， 值 为 另 如 其 ７ ４ＭＰ ， 受 到 高 速 气 流 直 接 冲 刷 ， 对 易 出 现 开 裂 。 ０ ａ但 相 ２） 轮 变 形 。 图 １ 叶 由 ０可 知 ， 轮 在 无 装 配 而 只 考 叶
▲图 ｌ 过 盈 量 ０ ５ｍｍ 时 的 叶轮 应 力 云 图 ５ ． ▲ 图 ｌ 过 盈 量０ ５ｍ 时 短 叶 片 根 部应 力 云 图 ６ ． ｍ
２ 在 高 速 旋 转 时 ， 不 考 虑 装 配 应 力 ， 轮 的短 叶 ） 如 叶 片 靠 近 进 气 口 的 根 部 危 险 较 大 ， 力 值 高 达 ７ ４ ＭＰ 。 应 ０ ａ 在 同时考虑 装配应 力和 离心力 时 ， 盈量 太小 ， 仅会 过 不 导 致 叶 轮 和 轴 的松 脱 ， 且 会 使 短 叶 片 根 部 应 力 过 大 ， 而 随 着过盈量 的增 大 ， 能适 当 减 少 短 叶 片 根 部 的 应 力 （ 局
１ ２ ／ ｉ 材 料 属 性 如 表 １ ０４ ８ｒ ｒ ｎ， ａ 。
表 １ 材 料 参 数
１ 压 缩 机 叶轮 三维 和 有 限元 建模
根据 二维 图纸 ， 氧压 机机 座叶轮 结构进行 １１ 对 ：参
数化建模 ， 图ｌ 示 。 如 所 我 们 对 实 体 模 型 进 行 处 理 ， 些 对 整 体 结 构 影 响 一 不 大 的 部 位 可 进 行 简 化 ， 利 于 有 限元 模 型 的 建 立 ， 以 考
【 】 徐小强 ， １ 赵洪伦． 过盈配合应力的接触非线性有限元分析
【】机械 设 计 与 研 究 ，０ ０ １ ． Ｊ． ２０ （）
ＭＰ ， 前 面 已 说 过 ， 在 气 流 流 道 以 外 ， 受 高 速 气 ａ但 处 不 流 直 接 冲 刷 ， 然 应 力 计 算 较 大 ， 危 险 较 小 。 此 时 虽 但 而
２９ 回Ｉ ０／ ０２ Leabharlann ０． ２趔 《 ０ １ ．５
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方 向孔 内表 面 节 点 号 ▲ 图 １ 孔 内 表 面节 点 和 位 移 分 布 图 ２
的 过 盈 量 大 于 ０ ３ｍｍ ， ＃－ 轮 ． 另 １ 叶 的 材 料 最 大 屈 服 值 为 ８ ３ＭＰ ， ８ ａ 要 求 安 全 系 数 为 １ ４， 计 算 的 最 大 ． 故 应 力 为 ５ ９ ＭＰ ， 图 ７静 态 条 件 ５ ａ 由 下 拟 合 不 同 过 盈 量 的 最 大 应 力 图 可 知 ， 大 过 盈 量 应 小 于 或 者 等 于 ０ ５ｌｍ 。 面 讨 论 最 ． ｌ 下 ｒ 在 过 盈 量 分 别 为 Ｏ ４ｍｍ 和 ０ ５ｍｉ 时 所 产 生 的 过 盈 力 ． ． ｌ ｌ
Ｉ 质量密度
杨氏模量 泊松 比 屈服强度 极限抗拉强度
ｌ （ｇ・ ） ／ｋ ｍ
／ Ｐ Ｇａ
／Ｐ Ｍ
／ Ｐ Ｍａ
Ｉ ７５ ０ ８
析。
２ １ ｏ
Ｏ ． ３
８ ８ ３
７ ８ ５
对 静 态 条 件 下 各 过 盈 量 和 叶 轮 的应 力 分 布 进 行 分 我们 对压 缩机 的过盈量 取 了９ 工况 ， ． 种 ） Ａｏ １—０ ９ ． ｍｍ， 于 篇 幅 ， 只 给 出４ 装 配 应 力 云 图 ， 盈 量 取 限 现 种 过
脱 甚 至 不 能传 递 扭 矩 ， 传 递 扭 矩 过 小 ， 为 扭 矩 的 传 或 因 递 是 靠 过 盈 压 紧 力 产 生 的 摩 擦 力 而 实 现 的 。 大 的 配 过
合 量 直 接 导 致 接 触 面 处 接 触 应 力 过 大 ， 至 导 致 局 部 甚
塑 性 变 形 ， 且 对 叶 片 的 强 度 也 会 产 生 间 接 的影 响 。 并 从 温度 的 角 度 讲 ， 于 装 配 是 用 温 差 法 配 合 ， 合 理 地 控 由 要 制 温 度 大 小 还 要 取 决 过 盈 量 的 大 小 。 了 验 证 设 计 的 为
过盈 装 配 叶轮
模 ， 高级 仿真 环 境 下进行 转 子 和轴 过盈 配合 的 非线 性接 触仿 真 和叶轮 强度 分析 ， 定最佳 过 盈量 和 指导 叶轮 结 构设 计 。 在 确
关键 词 ： ＧＮ ６ ０ 有 限元 Ｕ Ｘ．
中 图分 类 号 ：Ｐ ９ ． Ｔ ３ １９
文 献标 识码 ： Ａ
最 大 接 触 应 力 为４ ７ ８ＭＰ ， 满 足 要 求 。 ０ ． ａ 可
２ 过 盈 量 取 Ｏ ５ｍｍ。 图 １ 所 示 ， 轮 的 最 大 应 ） ． 如 ５ 叶 力 仍 然 出 现 在 前 盖 出 口端 的 外 表 面 处 ， 小 ： ５ １５ 大 Ｎ ８ ．
参 考 文 献
ＭＰ ， 前 面 说 过 ， 处 在 气 流 流 道 以外 ， 受 高 速 气 ａ但 其 不 流 直 接 冲 刷 ， 然 应 力 计 算 较 大 ， 危 险 较 小 。 此 时 虽 但 而
叶 轮 短 叶 片 进 气 口 根 部 的 应 力 为 ３ １ ８ＭＰ ， 图 １ 所 ８ ． ａ 如 ４ 示 ， 力 大 大 减 少 ， 原 因是 由 于 局 部 的 变 形 （ 要 是 应 其 主 由 于 过 盈 配 合 变 形 ） 生 的 应 力 释 放 。 此 时 装 配 处 的 产 而
由此对 孔 的 内表 面所 有 单 元 节点 做 统 计 分析 ， 经