摘要：电站离心风机运行过程中，叶轮直接对风机介质加速，是实现风机能量转换的核心部件。针对国内某电厂的离心风机，对叶轮进行强度分析时，为弥补传统理论计算方法的局限性，采用有限元分析方法对其进行静力学分析和模态分析，得到叶轮的应力、应变分布云图、固有频率和主要振型；分析叶轮的应力应变分布云图，找到该离心风机叶轮的薄弱部位，以此为基础，对叶轮结构进行优化，并对优化结果进行比较，说明了优化方案的实际意义和可操作性。
关键词：电站离心风机叶轮；有限元分析；强度分析；结构优化；Structure optimization
1离心风机叶轮的静力分析
1.1构建三维参数模型
本文根据某电厂离心风机的实际参数，选择了风机型号为5-36F的双吸双支撑离心风机，叶轮直径3100mm，转速970r/min。通过三维软件建立的离心风机叶轮参数模型如图1所示[1]。
图1 双吸式叶轮结构模型
Fig.1 Double-suction vane structure model
1.2建立离心风机叶轮的有限元模型
（1）有限元模型的创建
利用三维软件将建好的模型导入有限元软件中，忽略实体模型中的螺栓、倒圆、倒角、通孔等结构工艺[1][2][3]。建立有限元模型时采用了四面体单元 [4]。叶轮材质为Q460C，对应的材料属性见表1：
表1 模型各参数值
Tab.1 Parameters of the model
图2 叶轮有限元网格模型
Fig.2 Finite element grid model of impeller
（2）边界约束
离心风机叶轮轮毂通过键与主轴过盈连接，随风机轴转动。因此轮毂与轴接触的内表面没有轴向和径向位移，即轴向和径向自由度为零，但可以绕轴中心线转动。
（3）加载求解
该叶轮是双吸结构，不考虑叶轮与轴之间的轴向作用力。叶轮在工作时，主要受到离心力、气动力和重力三种载荷，由于叶轮受到的气动力和重力远小于叶轮离心力，其对叶轮强度的影响可以忽略，因此载荷主要为绕轴旋转的叶轮离心力。离心力可以通过输入角速度101.5rad /s施加惯性载荷实现，施加完位移约束和惯性载荷后，在求解器中计算求解。
1.3静力学分析结果
有限元模型加载、求解，通过有限元软件的后处理模块得到叶轮应力位移分布云图如图3所示。
图3 叶轮的应力及位移分布云图
Fig.3 Stress and displacement distribution cloud map of impeller
由图 3可知，叶轮的最大应力为266.58MPa，发生在叶轮前盘靠近气流入口位置。最大应力小于叶轮材料的许用应力值303.33 MPa（安全系数取1.5），符合第一强度理论校核条件，可认为叶轮满足强度要求。关于叶轮应力分布规律，从图3可以看出，总体上的应力分布为叶轮叶片离旋转轴线越远处应力越小，离前盘越近应力越大，叶轮前盘的中间部分应力比周围高一些。
2风机叶轮的模态分析
2.1风机叶轮模态分析的必要性
离心风机属于旋转机械，其动力特性非常重要。叶轮失效的常见情况为循环疲劳损伤及振动破坏，这两种情况的发生均与叶轮的振动相关，因此在对叶轮进行结构设计时，充分考虑它的固有频率即振动模型是非常必要的。
2.2风机叶轮的模态分析结果
基于前文所建立的有限元模型，应用典型的无阻尼模态分析，经逐步求解计算，得到风机叶轮的各阶固有频率及相应的振型，前3的模态振型图如图4所示。对振动响应结果的影响，低阶频率对振动的贡献大于高阶频率，并且随着阶数的增高，计算结果的误差也会逐渐变大，因此对叶轮进行模态分析时，前10阶分析结果如表2所示。
表2 风机叶轮前10阶固有频率
第1阶模态振型图 第2阶模态振型图 第3阶模态振型图
图4各阶模态振型图
Fig.4 Modal shape of each mode
由以上风机叶轮的模态分析结果可知：前5阶的固有频率较小且呈稳步增大的态势；第6阶的固有频率值增幅很大，第6~10阶固有频率值相近。在第1~3阶固有频率下，风机叶轮的应变都集中在叶片气流的出口侧及前盘的边缘位置。风机叶轮是转动机械，其最高转速为970r/min，对应频率为16.15Hz；风机部件的固有频率不允许在1.3倍转速之内。基于此点，本叶轮的结构是基本合理的。
3离心风机叶轮的结构优化
3.1优化方案
根据叶轮的静力分析结果和风机实际运行经验，离心风机叶轮前盘气流入口和气流出口处应力较为集中，实际运行过程中也曾出现过裂纹，即这两处存在安全隐患。
为改善叶轮在额定工况下的受力情况，减少应力集中现象，参考设备厂家的宝贵建议，本文提出的结构改进方案为：将叶轮的弧前盘设计修改为锥前盘，叶片出、入口与前盘交点位置保持不变；同时为保证集流器与叶轮的良好配合，气流的平稳过渡，在叶轮前盘气流入口处增加一个口圈，宽度和高度均为20mm左右，口圈通过锻造、机加工等工序后，与前盘组焊，打磨焊缝，使之与叶轮成为一个整体。
3.2优化后的叶轮有限元模型
图5 锥前盘叶轮有限网格模型
Fig.5 Finite grid model of cone front disk impeller
利用有限元软件建立的优化后的叶轮（以下简称锥前盘叶轮）的有限元模型如图5所示。选择四面体单元，对叶轮分进行自由网格划分。共有 77495 个单元，200118 个节点。
3.3叶轮优化的结果分析
根据弧前盘与锥前盘叶轮的有限元分析结果可知，锥前盘叶轮应力集中处的应力最大值有所降低，大应力的范围呈现出缩减趋势，变形量的绝对值和变形区域均较优化之前更为均匀和合理。结构优化手段的实施为叶轮材料规格的选择提供了理论依据，也同时为风机的安全运行奠定了基础。
4结论
（1）通过有限元软件对离心风机叶轮进行静力学分析和模态分析，静力分析得到了叶轮在额定转速下的应力位移分布云图，为叶轮结构的事故处理及设计优化提供了一定的依据及方向；模态分析得到了叶轮的固有频率近似解和模态振型，为合理避开共振区域，实现风机的安全运行奠定了基础。
（2）本文从叶轮的结构设计着手，对传统叶轮结构的薄弱部位进行了改进和优化，将优化前后的叶轮的受力表现和固有模态进行了对比分析，可知优化具有一定的实际操作意义。结构优化手段的实施为改善叶轮运行状况提供了理论依据，也同时为风机的安全运行奠定了基础。
参考文献：
[1] 李铜桥,张玉龙.汽轮机叶轮强度计算方法[J]. 汽轮机技术,2008, 50(1)：20～23.
[2] 王建泉,王坤.循环泵叶轮的结构强度分析[J].风机技术, 2008, 162(8)：240～243
[3] 童榴生.风机叶片强度的三维壳体有限计算方法[J],风机技术,1995, 18(1)：94~98
[4] Sun L,et al. Calculation of static strength of steam turbine impeller[J]. ASME Power Conference 2005：555~558
[5] 浦广益. ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社,2010.10.
论文作者:杨合法,朱建梅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
标签：叶轮论文; 风机论文; 应力论文; 模型论文; 有限元论文; 模态论文; 频率论文; 《电力设备》2018年第29期论文;