基于ANSYS的离心压缩机叶轮结构优化分析.pdf

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1、通用机械翩造铷基于ANSYS的离心压缩机叶轮结构优化分析三一集团有限公司(湖南长沙410100)刘辉【摘要】叶轮是离心压缩机的核心部件，其运转的安全性对于整个机组的可靠性有着至关重要的作用，而其结构设计的合理性又直接影响着应力的分布和变形的大小。通过有限元分析，在尽可能不影响叶轮气动性能的前提下，对叶片根部倒角的结构尺寸进行优化。通过多种方案的对比分析，提出了变倒角这一创新性的想法，从而有效地降低应力和变形的大小，为叶轮结构设计提供了很好的方向和思路。【关键词】叶轮结构优化有限元分析离心压缩机一、刖昌离心压缩机由于单级压缩比高、工艺性能好而被广

2、泛应用于钢铁冶金、煤化工、空气分离、石油化工和天然气输送等领域。压缩机的叶轮是它的核心部件，其运转的安全性对于整个机组的可靠性有着至关重要的作用，而其结构设计的合理性又直接影响着应力的分布和变形的大小。因此，在满足气动要求的条件下，叶轮的整体结构设计是产品研发的关键。本文通过大型有限元分析软件ANSYS，对叶轮的叶片根部倒角的结构尺寸进行了调整，建立了不同的优化模型，并对其分别进行了有限元计算，分析了各自对叶轮应力，变形和质量的影响，为产品的研发提供了设计参考和依据。GMMamtfacture二．有限元法及其计算软件有限元法是在当今工程分析中获

3、得最广泛应用的数值计算方法，由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。ANSYS是具有世界先进水平的通用有限元分析软件，它有强大的前、后处理和计算分析功能，能有效地保证计算结果的精度。三、结构参数及计算模型1．叶轮材料和转速叶轮材料为FV520B不锈钢，它的标准值见表1，叶轮的转速见表2。表1材料参数表表2叶轮转速2．边界条件由叶轮和传动轴的装配关系可知：约束轴孔处的GM通用朝麓2017年第11期WWW．etyjx．comlGM透曰税税制造gGM．弛㈣f如

4、ctul+g66切向位移，轮背端部的轴向位移。叶轮主要受离心惯性力的作用，并且考虑重力的影响，如图1N示。图1叶轮边界条件结构静力计算单元总数为27．9万个，节点总数为42．9万个，巨大的计算规模可以有效地保证结构分析的精度。010000(mml●■■■■●二二二二]5000图2叶轮有限元计算模型：：兰登择和网格翼?+。。：。一。⋯一。．四、计算结果与分析对叶轮采mSolidl87这--10节点四面体高阶单元进一’⋯一⋯⋯一行剖分，并对关键位置的网格进行细化，得到的网格较1．叶片根部倒角优化规整，疏密得当。这种单元具有精度高、适用于不规则依次建

5、立5个不同倒角的叶轮模型进行计算，超速模型的特点，叶轮的有限元计算模犁如图2所示，它的转速下的计算结果见表3。表3叶片根部倒角优化计算结果2mm2．5mmjmiTl4mm6—3．6ram1341．410728033．8959．0894．1月嗵面秘瞄’口it一叶片出口根部哥届堀藤‘窿剐掘∞a-‘--O．92l0．9800．9600．933{嘱珏嚣‘榭i『fj：；0．0300．0290029叫0．245；疆l’：寓口02620．2590．256】i0．24920．025嗣耻1991119．91719．953II20．007R3一R6的示意图，叶片压

6、力面出口端倒圆角R6，叶片前缘倒圆角R3，叶片吸力面出口端倒圆角R6，之间光滑过渡，这样既能有效地降低叶片出口处的应力，又能最大程度地减少对气动的影响，在结构强度和气动性能之间找到一个很好的平衡点。2．优化叶轮计算结果(1)超速转速下叶轮应力叶轮超速转速下的Mises应力云图如图4所示。o1()()OO(mnll—■———【二二二]5000图4超速转速下叶轮Mises应力(2)正常转速下叶轮应力和变形叶轮正常转速下的Mises应力云图和合位移云图分别如图5、图6所示。oIOOOO(iYlm)—■——■■[二二=]5000图5正常转速下叶轮Mis

7、es应力通用机械制造锄631il癍蜊“詹ctureO10UUU(iYim)■■■———[二二二]50OO图6正常转速下叶轮合位移(3)优化结果对比原模型和优化模型的计算结果对比见表4。表4原模型与优化模型计算结果对比瓢j疆liill：自重一鲴t一珊硼啊111■蠲}l虢重■圈躲朝l驻阻即置麓嗣圈■l弼圃。781．7894．1676．1最大应力值／IVlPa1033．8叶片出口叶片出叶片出15根部口根部最大应力位置根部0．726O．9210697最大合位移／mm0．960叶片进口顶部径向0．0220．03000230．029位移／mm叶片出口顶部轴

8、向01930．245O．1850．256位移／mm20．025叶轮质量／kg19．953本文总结了一种规律，在保证气动性能不受影响的情况下，通过改变叶