半开式叶轮强度分析与结构优化
基于hyperMILL的半开式整体叶轮五轴数控编程与加工技术_赵文明

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刀具选择
3. 2
整体叶轮加工工序以及加工参数确定
选择合适的刀具材料和刀具类型不仅可以保证加 而且能够满足零件的加工质量。 刀具的选择 工效率, 需要充分考虑整体叶轮的形状、 材料等各个方面的因 素。整体叶轮铣削加工刀具的选取可遵循以下原则: ①粗加工时, 在流道尺寸允许的情况下尽可能采用大 直径刀具, 以提高加工效率; ②在满足叶片高度的情况 为保证刀具有足够的刚度, 其悬伸长度应尽可能 下,
图3 图2 半开式整体叶轮模型
hyperMILL 数控编程及加工过程
整体叶轮结构复杂, 其数控编程和加工的难点主 要体现在: ①相邻叶片间的距离较小, 加工时易产生干 涉, 生成无干涉的刀具轨迹较困难; ② 叶片厚度小, 在 精加工过程中会出现加工变形和振动等问题, 使叶片 表面的加工质量降低; ③叶片的扭曲度较大, 使刀具轴 [ 89 ] 。 线矢量的计算复杂
基于 hyperMILL 的半开式整体叶轮五轴 * 数控编程与加工技术
赵文明, 庄 鹏, 鞠岗岗, 刘战强
( 山东大学 机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室 , 济南 250061 ) 摘要: 整体叶轮是航空发动机和各类透平机械的关键零部件 。 针对整体叶轮因结构复杂而导致数控 编程和加工难度大的特点, 首先, 以半开式整体叶轮为例, 在 hyperMILL 软件中进行五轴数控编程。 然后, 编程得到的刀具轨迹经过内部机床仿真验证 , 利用后处理器将刀位 ( CL) 文件转换成机床可识 别的 NC 加工代码。最后, 在 DMU - 70V 五轴加工中心上对 Al7050 铝合金整体叶轮进行加工。加工 过程中没有出现干涉、 过切、 欠切等问题。结果表明 hyperMILL 可以简化编程的过程, 提高编程和加 工的效率, 为其它同类复杂零件的编程加工提供了依据 。 关键词: 整体叶轮; 数控编程; 五轴加工; hyperMILL 中图分类号: TH164 ; TG659 文献标识码: A
半开式离心叶轮气动阻尼的影响规律研究

半开式离心叶轮气动阻尼的影响规律研究*陈旭东1杨树华2王晓放1刘海涛1(1.大连理工大学能源与动力学院;2.沈阳鼓风机集团股份有限公司)摘要:离心压缩机半开式叶轮的阻尼是影响叶轮振动应力水平的重要因素,主要包括材料阻尼和气动阻尼。
其中,气动阻尼的准确计算是叶轮动应力分析的前提。
本文通过流固弱耦合方法研究了压缩机运行工况以及叶片振幅对气动阻尼的影响,并对影响规律进行了理论分析。
研究结果表明,进口温度一定时,叶片气动阻尼比随进口流量的增大而增大;进口质量流量一定时,气动阻尼比随进口温度的减小而增大;对同一工况,气动阻尼比基本与振幅无关。
研究结果对叶轮结构在实际运行工况条件下的强度校核具有重要的参考意义。
关键词:半开式离心叶轮;气动阻尼;运行工况;流固弱耦合;傅里叶变换;模态分析中图分类号:TH452;TK05文章编号:1006-8155-(2021)01-0012-07文献标志码:A DOI:10.16492/j.fjjs.2021.01.0002Influence Rule of Aerodynamic Damping of Semi-openCentrifugal ImpellersXu-dong Chen1Shu-hua Yang2Xiao-fang Wang1Hai-tao Liu1(1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology;2.Shenyang Blower Works Group Corporation)Abstract:The damping of impeller is an important factor affecting the dynamic stress level of the impeller which include material dampings and aerodynamic dampings.Aerodynamic damping prediction is crucial for the dynamic stress estimation of impeller.Therefore,the aerodynamic damping of a semi-open centrifugal impeller at different operational conditions and vibration amplitudes is studied by weakly fluid-structure coupled method in this paper.The results indicate that the aerodynamic damping ratio increases with the mass flow rate increascing at a certain inlet temperature,the aerodynamic damping ratio increase with the temperature decreasing at a certain inlet mass flow rate.Nevertheless,for a given operational condition,the aerodynamic damping is nearly independent of the vibration amplitude of the blade.The result would be valuable to the strength check of the impeller structure at practical operational condition.Keywords:Semi-open Centrifugal Impellers;Aerodynamic Damping;Operation Conditions;Weakly Fluid-structure Coupled Method;Fourier Transformation Method;Modal Analysis*基金项目:辽宁重大装备制造协同创新中心,辽宁省科技创新重大专项(2019JHI/10100024);工信部海洋公益性专项(Z135060009002);中央高校基本科研业务费(DUT19RC(3)070).Chinese Journal of Turbomachinery Vol.63,2021,No.10引言高压比、大流量、高效率、宽运行工况是离心压缩机设计的发展趋势[1]。
燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计与强度分析

燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计与强度分析引言燃气轮机是现代工业中广泛使用的一种能源转换装置,其核心部件是涡轮叶片。
涡轮叶片的优化设计和强度分析对于提高燃气轮机的性能和安全性至关重要。
本文将探讨燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计方法以及强度分析技术。
涡轮叶片结构优化设计在涡轮叶片结构的优化设计中,需要考虑的因素有很多,包括气动性能、材料强度和制造成本等。
其中,气动性能是最为关键的因素之一。
通过优化叶片的几何形状和叶片间距,可以改善叶片的流体动力学性能,提高燃气轮机的效率和功率输出。
同时,也需要考虑叶片的结构强度,以确保叶片在高速旋转的工作条件下不会发生破裂或失效。
为了实现涡轮叶片结构的优化设计,可以采用数值模拟和实验验证相结合的方法。
数值模拟可以通过计算流体力学(CFD)分析,预测叶片的气动性能。
在此基础上,可以使用优化算法对叶片的几何形状进行修改,以达到所需的气动性能指标。
同时,为了验证数值模拟结果的准确性,还需要进行实验验证。
实验可以通过风洞试验或实际燃气轮机测试来进行,以验证优化设计后的叶片在实际工况下的性能表现。
强度分析技术涡轮叶片在高速旋转的工作条件下,承受着巨大的离心力和气动载荷。
为了保证叶片的结构强度和安全性,需要进行强度分析。
传统的强度分析方法主要包括有限元分析(FEA)和应力试验。
有限元分析是一种数值计算方法,可以通过将叶片划分为许多小的有限元单元,在每个有限元内计算叶片的受力情况。
通过对有限元分析的结果进行评价,可以确定叶片在不同工况下的强度和变形情况。
然而,由于叶片结构的复杂性,有限元分析可能需要处理大量的网格单元,导致计算时间较长。
为了验证有限元分析的结果,应力试验是不可或缺的。
应力试验可以通过加载已制备好的叶片样品,测量叶片的变形和应力,从而判断叶片的强度是否满足设计要求。
然而,应力试验具有局限性,例如样品数量有限,无法考虑到叶片的实际工作环境等。
结语燃气轮机涡轮叶片结构的优化设计和强度分析对于提高燃气轮机的性能和安全性具有重要作用。
离心半开式叶轮

离心半开式叶轮离心半开式叶轮是一种常见的工程机械中使用的重要部件,其正常运转对于保证设备的高效稳定运行至关重要。
本文将从结构特点、工作原理、常见故障及维护保养等方面进行介绍,以期为读者提供一些有价值的指导和参考。
离心半开式叶轮的结构特点主要体现在两个方面:叶轮的形状和叶轮与轴之间的连接方式。
半开式叶轮的设计使其叶片呈半开放状,即叶片的两侧相对打开,这样有利于提高流体的进出口能力,从而提高设备的工作效率。
同时,叶轮与轴之间采用键连接,这种连接方式使叶轮与轴能够牢固结合,并且在运行过程中不易出现磨损和松动。
在工作原理方面,离心半开式叶轮利用离心力的作用将液体或气体从中心向外排出。
当叶轮旋转时,液体或气体被吸入叶轮中心,并在离心力的作用下被迅速排出,从而产生一定的压力和流量。
这种工作原理使得离心半开式叶轮特别适用于一些需要输送大量液体或气体的工程机械中,如水泵、风机等。
然而,离心半开式叶轮在使用过程中也会遇到一些常见故障,比如叶片损坏、轴与叶轮键连接松动等。
为了确保设备的正常运行,需要及时对这些故障进行修复和维护。
叶片损坏可以通过更换叶片来解决,轴与叶轮键连接松动可以通过重新固定或更换键来解决。
此外,定期进行检查和保养工作也是非常重要的,包括清洁叶轮表面、润滑轴与叶轮连接部分等,这样可以延长叶轮的使用寿命,并减少故障的发生。
综上所述,离心半开式叶轮作为工程机械中常见的重要部件,其结构特点和工作原理使其在液体或气体输送方面具有优越的性能。
然而,在使用过程中需要注意常见故障的修复和维护工作,以保证设备的正常运行和延长叶轮的使用寿命。
希望本文能为读者提供一些有价值的指导和参考,使其对离心半开式叶轮有更深入的了解。
离心半开式叶轮

离心半开式叶轮简介离心半开式叶轮是一种常见的离心泵叶轮结构,广泛应用于工业领域中的水泵、风机等设备中。
它的设计结构独特,具有较高的效率和可靠性,能够满足各种工况要求。
本文将对离心半开式叶轮的原理、结构、工作特点以及应用进行详细介绍。
原理离心半开式叶轮是一种通过离心力将液体或气体从中心向外部排出的装置。
其工作原理基于离心力的作用,通过高速旋转的叶片将流体带入叶轮的中心,然后受到叶轮的离心力作用,流体被推到叶轮的外缘,最终排出。
结构离心半开式叶轮由以下几个主要部分组成:1.叶片:叶片是离心半开式叶轮的核心部分,它们通过固定在轮盘上的叶片座将叶片连接在一起。
2.轮盘:轮盘是叶轮的外壳,起到支撑叶片和导向流体的作用。
3.轴承:轴承用于支撑叶轮的旋转,确保叶轮能够平稳运行。
4.输液管道:输液管道用于将流体引入和排出叶轮。
工作特点离心半开式叶轮具有以下几个显著的工作特点:1.高效率:离心半开式叶轮由于采用了半开式结构,具有较高的效率。
流体在叶轮中的流动路径相对较短,能够减少能量损失,提高泵的效率。
2.适应性强:离心半开式叶轮能够适应不同的工况要求,具有较宽的工作范围。
它能够处理不同粘度、温度和浓度的流体,适用于各种工业领域。
3.结构简单:离心半开式叶轮的结构相对简单,易于制造和维修。
叶片和轮盘的连接方式简单可靠,方便更换和维护。
应用离心半开式叶轮广泛应用于各个领域,包括但不限于以下几个方面:1.水泵:离心半开式叶轮是水泵中常见的叶轮结构,用于将水从低处抽升到高处,广泛应用于给排水系统、农田灌溉等领域。
2.风机:离心半开式叶轮也被用于风机中,通过叶轮的旋转将空气吸入并排出,用于通风、空调系统等。
3.石油化工:离心半开式叶轮在石油化工中也有广泛的应用,用于输送原油、石油产品等。
总结离心半开式叶轮是一种常见的离心泵叶轮结构,具有高效率、适应性强、结构简单等特点,广泛应用于各个领域。
它通过离心力将流体从中心向外部排出,能够处理不同工况要求。
浅谈冲压焊接半开式叶轮离心泵的改进技术

性更好 。
2 产品效益
冲压焊接 半开式 叶轮离心泵是一种需求大 、 应用广 的通 用
机械 。 据 国家统计局的统计数据表明: 全国水泵年 需求量约 5 0 0
万 台, 年进 口量 约 1 0万台, 且这些数字每年都 以 1 0 %的速度递
增 。小流量 、高扬程的低 比转速 离心泵年需求量在 5 O万台 以
同时, I I t 式 的离心泵泵体 , 由于采用梯形断面周壁 , 泵的水 力效率并没有达 到最优化 , 强度和钢度 也存在一 些缺陷 , 使用
寿命 短 , 加 工成 本 高 。 本改进的冲压焊接半开式叶轮离心泵 , 其 轴 向的断面周壁
为一直线和与直线两端相切 的圆弧段组成。其径 向端面 周壁 为 螺旋式周壁, 螺旋线 由多段不同半径的圆弧组成 。综合考虑 加 工与性能的影响 , 采用八段 圆弧 , 每 段圆弧弧度 为 , ' n - / 4 。这种 工
I I 装备制造
浅谈 冲压焊接半开式 叶轮离心泵的改进技术广东阳江 5 2 9 5 0 0 )
摘 要: 本项 目是结合 阳江市 新力工业 有限公司在 冲压焊接 离心泵制造 中的生产实际 , 针对 目前离心 泵叶轮入 1 2 1 处 的密封 问题、 泵内 流体流动 问题 , 离心泵加工制造 问题 , 改进离心叶片与泵体 结构 , 开发 出一种冲压焊接半开式叶轮离心泵 , 并 实施产业化生产。 关键词 : 冲压焊接 : 半开式; 离心泵
基于单向流固耦合的叶轮强度和振动研究

基于单向流固耦合的叶轮强度和振动研究杜子学;韩山河;刘雅黔;查雷【摘要】为了获得某带分流叶片的离心式压气机叶轮更为真实详细的应力状态,建立三维实体模型;采用流体动力学和有限元方法,对其进行单向流固耦合分析,构建叶轮单通道三维流场模型和结构有限元模型;利用软件之间的接口,实现了流场与结构场之间的压力数据传递,获得离心力和气动力共同作用时的叶轮最大应力和应变的分布,进而完成叶轮静强度的分析计算,并验证了叶轮强度的可靠性;利用静力结果进行模态分析,分析了转速对固有频率的影响,得到在常用转速下的共振点.【期刊名称】《重庆交通大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2014(033)002【总页数】4页(P142-145)【关键词】车辆工程;离心式压气机;流固耦合;应力;模态分析;共振【作者】杜子学;韩山河;刘雅黔;查雷【作者单位】重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;重庆德蚨乐机械制造有限公司,重庆401122;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】U464.332;TK421.80 引言在压气机整个通道中,叶轮是唯一对流体做功的部件,它将同轴连接的涡轮提供的机械能转化为流体的压力能和动能,所以在压气机正常工作时,叶轮的受力非常复杂,除了受离心力、气动力和热应力外,还受到振动交变负荷的影响。
在离心压气机中,叶轮设计的好坏对压气机的性能起着决定性作用,但随着增压器压比和转速的不断提高,叶轮机械负荷增加,寿命要求更长,成本要求更低,这就使得以结构优化为目的的结构分析变得更为重要[1]。
叶轮在流动的气流场中,流体对叶轮的工作性能产生一定的影响,结构的扰动反过来影响流场,从而形成一个流固耦合模型[2]。
通过单向流固耦合分析,在一定程度上可得到更为准确的强度和振动数据,叶轮的强度分析的目的是计算叶轮在工作载荷下的变形、应力分布及最大应力的大小[3],以验证叶轮结构是否可靠,为压气机的设计提供依据。
水泵叶轮结构改进措施

水泵叶轮结构改进措施引言水泵是一种常见的机械设备,用于输送液体或将液体压力提高。
水泵的叶轮是其中的关键部件,在水泵工作过程中起着重要的作用。
本文将针对水泵叶轮结构进行改进措施的研究和讨论。
问题阐述水泵叶轮结构的改进是为了提高水泵的工作效率和减少能源消耗。
目前的水泵叶轮结构存在一些问题,如流量损失、能耗过高、易堵塞等。
因此,如何改进水泵叶轮结构,成为一个值得研究的问题。
改进措施一:优化叶轮叶片形状水泵叶轮的叶片形状对水泵的性能有着直接的影响。
通过优化叶轮叶片形状,可以减小流动阻力,提高水泵的效率。
常见的改进措施有以下几点: - 采用适当的叶片弯曲形状,减小了流体在叶片上的压降,降低了能量损失; - 在叶片上设置流道,可以引导水流,增大叶轮的进口面积,提高水泵的吸水能力; - 采用双吸或多级叶轮设计,可进一步提高水泵的扬程和流量。
改进措施二:增加叶轮叶片数量叶轮叶片的数量对水泵的性能也有着重要的影响。
增加叶轮叶片的数量可以:- 提高水泵的吸水能力,减小了流体的进口阻力; - 增大了叶轮的工作面积,提高了水泵的扬程。
但需要注意的是,叶轮叶片数量增加过多也会带来一些问题,如水泵的结构变得复杂,制造和维修难度增加,同时也会增加水泵的轴功率。
改进措施三:改变叶轮材料叶轮材料的选择对水泵的工作效果和寿命有着重要的影响。
一些常见的改进措施包括: - 采用耐磨材料制造叶轮,可以减少磨损,延长叶轮的使用寿命; - 选用耐腐蚀材料制造叶轮,可以抵御腐蚀性液体的侵蚀,提高水泵的稳定性和可靠性。
结论本文对水泵叶轮结构改进措施进行了研究和讨论。
通过优化叶轮叶片形状、增加叶轮叶片数量和改变叶轮材料,可以提高水泵的工作效率和减少能源消耗,进一步提高水泵的性能。
但需要注意的是,在实际应用中,改进措施需要根据具体情况进行选择和优化,以满足不同需求。
参考文献•Smith, C. R., & Hall, D. M. (2010). Improving pump efficiency.Mechanical Engineering, 132(3), 26-29.•Guo, Z., Chen, Y., & Zhu, S. (2017). Research on the Optimization Design Method of the Heavy Oil Centrifugal Pump Impeller. In AdvancedMaterials Research (Vol. 853, pp. 395-399). Trans Tech Publications Ltd.•Xu, J., Ji, B., Xu, X., & Guo, L. (2019). Optimization on impeller geometry of centrifugal pump based on double-objective genetic algorithm. Engineering Optimization, 1-15.。
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(a)改前
(b)改后
图 8 叶轮轮盘改动示意图
改动后等效应力云图见图 9,最大应力也在 叶片与轮盘交接处的凹槽处,但最大应力为 791.614MPa,小于材料的屈服强度,叶轮的最大 位移为 1.71mm,改动后的叶轮可以满足强度与 刚度要求。 2.4 分析小结
(2)针对半开式叶轮的特点,划分以六面体 单元为主的网格,在关键的倒角处及叶片上都 使用六面体单元,提高计算精度,避免应力集 中,得以较为准确的模拟叶轮工作状态下的受 力情况;
(3)通过有限元分析,发现结构设计中的不 足,改进结构模型,使得叶轮满足强度和刚度要 求,为结构设计者提供理论依据。
参考文献
通过有限元分析,发现结构刚性不足的 地 方 ,针 对 这 种 结 构 和 结 构 装 配 的 需 要 ,改 进 结构,使得叶轮的结构设计满足强度和刚度 的要求。
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图 9 叶轮改动后应力云图
3 结论
通过对半开式基本级叶轮的有限元分析得 到以下结论:
(1)考虑了倒角的叶轮有限元模型,提高了 模型的准确型;
采用的模型是某基本级的叶轮,此叶轮为 半开式的三元流叶轮,叶轮外径为 250mm,材料 为合金钢,泊松比 v=0.28,屈服强度为 850MPa, 强度极限为 920MPa,密度为 7800kg/m3,杨氏弹 性 模 量 为 2.1 ×1011N/m2, 抗 剪 模 量 为 7.9 × 1010N/m2。
[1]徐忠. 离心压缩机原理[M]. 北京:机械工业出版社,1990. [2]刘士学,方先清.透平压缩机强度与振动[M]. 北京:机械工
业出版社,1997. [3]谭蔚,王泽军,朱企新.有限元方法在离心机转鼓强度分析
中的应用 [J].化工机械,2002(2):41- 45. [4]贾海英.有限元法在离心机转鼓强度计算中的应用[J].制造
由于叶片型线复杂,选用数据处理功能强 大的 Ug 建 立了轮盘部分,形成叶轮模型,见图 1。
0 引言
随着我国经济的快速发展,各种风机在冶 金、石油化工、天然气输送、制冷、空分以及动力 等工业部门获得了广泛的应用,离心压缩机[1]的 可靠性问题制约着它的发展,因此对其深入研
为提高刚性,将轮盘上的凹槽去掉,采用同 样的分析方法,得到应力云图见图 7,最大应力 为 753.742MPa,最大位移为 1.56mm,满足强度 及刚性的要求。
凹槽去掉后应力和位移都有大幅的减小。 说明这种改进方法可行。
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2010 年第6期
设计计算
图 7 叶轮改后应力云图
2.3.2 减小凹槽 直 接 去 掉 凹 槽 对 强 度 来 说 是 最 好 的 ,但 增
1 模型
The S tre ngt h Ana lys is a nd S tructure Optimiza tion of S e mi- ope n Impe lle r Abs tra ct: Firstly, the Ug and SOLIDWORKS are applied to establish the 3- D model considering semi- open basic stage impeller of fillet. Then, the ANSYS is used to carry out the finite element analysis of strength and stiffness. Finally, the reasonable basic stage impeller meeting the requirements of strength and stiffness is obtained through the process of finding problem and improving model structure. Ke y words : centrifugal compressor; semi- open impeller; strength analysis; structure optimization
图 3 叶轮倒角处有限元网格模型
图 4 叶轮叶片有限元网格模型
2.2 分析结果 根据叶轮在运行过程中的特点,叶轮与主
轴过盈装配后,在主轴传动下旋转工作,这里关
图 6 叶轮位移云图
结论是由于轮盘上的凹槽引起叶轮整体刚 性不足,导致此处出现应力集中,且造成位移较 大。针对这种情况,需要提高此处的刚性。 2.3 结构调整 2.3.1 去掉凹槽
收稿日期:2010- 04- 14 西安市 710075 * 本文其他作者:徐海霞 段纪成 / 西安陕鼓动力股份有限公司
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图 1 三维 CAD 模型
2 有限元分析
2.1 有限元模型 将三维实体模型导入有限元分析软件
ANSYS 中,以六面体单元为主,辅以四面体单元 对模型进行网格划分,网格大小控制为 2.5mm, 得到有限元分析模型见图 2~ 图 4。
2010 年第6期
设计计算
半开式叶轮强度分析与结构优化
张小龙 周亚锋 苗福源 */ 西安陕鼓动力股份有限公司
摘要:首先用 Ug 和 SOLIDWORKS 联合建立了 考 虑 圆 角 的 半 开 式 基 本 级 叶 轮 的 三 维 模 型 ,然 后用 ANSYS 对其进行了强度及刚度的有限元 分析,通过发现问题、改进模型结构的过程,最 后得到合理的满足强度和刚度要求的基本级叶 轮。
关键词:离心式压缩机;半开式叶轮;强度分析;
结构优化
中图分类号:TH452
文献标识码:B
文章编号:1006-8155(2010)06-0032-03
究是非常必要的。 叶轮是离心压缩机的关键部件,直接关系
到机组的运行效率和安全[2],然而我公司的基本 级已不能完全满足设计的要求,其开发工作显 得尤为重要,特别是大流量基本级的开发更是 迫在眉睫。本文选用的模型就是陕鼓动力公司 正在开发的大流量半开式基本级叶轮,对其进 行强度及刚度分析具有重要意义[3-7]。
注的是叶轮上的应力,不关注叶轮与主轴之间 的相互作用,模型简化后,约束叶轮内孔,施加 离心力,转速为 30000r/min,应力云图见图 5,最 大综合应力为 970MPa,远大于材料的屈服强 度,所以必须调整结构以满足强度要求。
图 2 叶轮有限元网格模型
图 5 叶轮等效应力云图
观察应力云图发现,应力较大的点都集中 在叶片与轮盘交接处,且在轮盘刚性较弱的凹 槽处,造成叶轮在离心力作用下位移也较大,位 移云图见图 6,最大位移在长叶片的最远端,为 2.158mm。
业自动化,2001(8):55- 57,61. [5]高满旭等.大型鼓风机转子轮盘强度的有限元计算与分析
[J]. 风机技术,2001(2): 34- 37. [6]蔡建程等. 两种离心通风机叶轮零部件强度计算方法的
比较分析[J]. 风机技术,2007(5): 30- 33. [7]杨晔晖等. 离心鼓风机开式叶轮的强度分析与改造 [J]. 风
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