PTA RPF循环鼓风机叶轮强度有限元计算与分析.pdf

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1、第37卷第2期化工机械179PTARPF循环鼓风机叶轮强度有限元计算与分析牛黄文俊料陈启明胡四兵王鹏亮于跃平(合肥通用机械研究院·压缩机技术国家重点实验室)摘要以某PTARPF循环鼓风机叶轮为例，采用三维有限元方法，对叶轮与轴过盈配合的装配应力、工作转速时的动态应力及其固有频率进行了有限元计算与分析。着重分析了整个叶轮的应力分布和变形以及改进措施，在强度方面为叶轮的设计提供理论依据，以达到改进叶轮结构的目的。关键词PrA离心式鼓风机叶轮强度分析有限元法中图分类号TQ051．21文献标识码A文章编号0254-6094(2010)02-0

2、179-04随着市场发展与工艺技术进步，采用节能降耗工艺系统以及主要设备国产化是降低PTA投资成本、提高竞争力的关键。RPF系统是显著降低PTA装置能耗的先进工艺，鼓风机又是实现该系统循环的关键设备。由鼓风机叶轮的强度问题引起的事故常有发生⋯。过去对叶轮的研究主要是在高速旋转中由于离心力而引起的强度问题，但是由于气体激振力频率和叶轮固有频率相近所引发的振动致使强度失效的问题研究甚少。叶轮强度计算多采用二次计算法和简化为轴对称的二维有限元计算法，前者做了相当大的简化假定，使得计算结果不能充分反映实际的应力情况旧“1；后者三维问题简化为轴

3、对称的二维问题进行有限元计算，最大的缺点是求不出圆周方向的应力变化情况，也求不出叶片的应力分布H曲o。本文对国产首台百万吨级PTA项目用RFP循环鼓风机叶轮采用三维有限元方法来计算整个叶轮的应力分布及其固有频率，并提出改善叶轮应力分布的措施，以满足叶轮在强度方面的要求，使其安全运行。1有限元模型的建立1．1工程背景以国产首台百万吨级PTA项目用RPF循环鼓风机第二级叶轮为例进行有限元计算分析。表l是该叶轮的主要几何尺寸，其中D。、D：分别为叶片进口和出口直径，8。、口：分别为叶片进口和出口轴向宽度。叶轮材料为不锈钢，轴为优质合金钢。表

4、l叶轮主要参数参数名称参数值Dl，D2／ramBl’B2／mm轴盘轴向宽度／ram叶片数轴缈mln工作转速／r·mim一1．2几何模型及网格使用有限元计算时，前处理(几何模型及网格划分)是一切工作的前提，其建立模型的好坏直接影响到计算结果的准确性。因此，在建立叶轮实体模型时，不做任何简化，圆角和倒角均按加工图尺寸建立模型。划分网格时，在后盘和轴盘书基金项目：国家科技支撑计划(2008BAF34812)。·掌黄文俊，男，1981年8月生，工程师。安徽省合肥市，230031。舯邝加硌鲐哪删驯啪硌髓一3180化工机械2010年结合处、叶片进

5、出口圆角及其它圆角和倒角处进行网格细化，以期最大程度的反映应力分布和应力集中真实状况。网格模型如图l所示，计算单元全部采用空间四面体单元，共21666个单元，39474个节点。图l整体网格图1．3边界条件及载荷在模拟叶轮与轴过盈装配时，设定轴盘内孔与接合的轴端为接触约束，在静力分析中，首先给定叶轮一个零应力的参考温度，然后再对叶轮设定一个对应过盈量的温度降。该方法正好是模拟叶轮的热套装法，首先加热叶轮使之温度升高，整个叶轮沿径向膨胀，达到一定温度时，叶轮轴孔的变形量等于过盈量，即叶轮内孑L直径等于轴直径，叶轮就可套装到轴上，温度下降后

6、，叶轮与轴产生过盈配合。在距安装叶轮较远的轴段设置为固定约束，即忽略叶轮热装对较远轴段的影响。由于叶轮与轴是过盈配合，在进行叶轮固有频率分析时，可看作叶轮轴孔是固定约束，即完全刚性约束。由于气动力较小，相对叶轮的离心力来说小得多，对叶轮强度的影响可以忽略，因此整个叶轮只考虑离心力的影响。离心力通过施加转速来实现。2结果分析通过计算，可以得到整个叶轮应力的具体分布情况及最大应力的实际位置。对现有的有限元软件，可以不同的形式对结果进行后处理，可分别以云图、等值线图、等值线面图及列表等形式将结果显示出来。从云图和等值面图上可直接查出最大应力

7、所处的位置，而从列表中则可得到最大应力的具体坐标位置。本文采用第四强度理论对叶轮的应力分布情况进行详细的分析。2．1过盈装配应力过盈量分别为0．04、0．06ram，在此过盈量下装配后叶轮轴孔的应力沿轴向的分布如图2所示。从图中可看出径向应力为负值，轴与叶轮配合面受到的是压应力，说明两者是过盈配合，并且在叶轮轴盘孑L两侧存在应力集中现象，切向应力集中现象更明显；随着过盈量的增加，装配应力增加。因此，在设计时轴盘两端设计适当的倒角，在轴与叶轮轴盘配合段两侧加卸载槽，以减小应力集中，另外在保证工作转速不发生松脱下，选用较小的过盈配合，以减

8、小过盈的装配应力。矗a一善R倒融群图2装配应力沿轴向分布2．2工作应力及变形本节计算分析在工作转速下，主要由离心力引起的应力分布情况。图3是在0．06mm的初始过盈量、工作转速下叶轮的等效应力云图，等效应力按第四强度理论