基于UG的透平压缩机转子叶轮的有限元分析.pdf

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1、基于UG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310000摘要：在UG最新发布的NX6．O环境下进行透平压缩机的转子有限元分析，在UG—CAD模式下对转子进行实体建模，在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，确定最佳过盈量和指导叶轮结构设计。关键词：UGNX6．0有限元过盈装配叶轮中图分类号：TP391．9文献标识码：A文章编号：1000—4998(20o9)O2—0010—03透平压缩机是重大工程成套装置的重要设备，被广泛应用

2、于冶金、石油化工、煤化工、制药、化肥、污水处理、供气站和航天试验等领域，在国民经济中起着重要作用。在离心式压缩机中，叶轮设计的好坏，对压缩机的特性起着决定性作用。本项目叶轮为一轴流式三元闭式叶轮，对于叶轮的设计和过盈量的确定通常是根据经验公式来计算或进行选取。然而，这也正是一元设计的不确定之处。离心式压缩机叶轮在高速旋转时(通常高达每分钟上万转)，其离心产生的惯性力对叶轮的破坏是不可轻视的，这一影响甚至大大超过高速气流冲刷对叶片的破坏。至于过盈量，叶轮和轴的装配随着过盈量增大，其接触面和接触应力都增大，而过小的过盈量会导致

3、松脱甚至不能传递扭矩，或传递扭矩过小，因为扭矩的传递是靠过盈压紧力产生的摩擦力而实现的。过大的配合量直接导致接触面处接触应力过大，甚至导致局部塑性变形，并且对叶片的强度也会产生间接的影响。从温度的角度讲，由于装配是用温差法配合，要合理地控制温度大小还要取决过盈量的大小。为了验证设计的可靠性，在叶轮基本外尺寸确定的条件下，以当前最已知条件是：叶轮材料为优质钢7424，叶轮转速为新UGNX6．0为设计平台基础，进行有限元分析，确定10428r／rain，材料属性如表1。过盈量和最大应力，指导叶轮的设计。表1材料参数1压缩机叶轮

4、三维和有限元建模I质量密度杨氏模量泊松比屈服强度极限抗拉强度根据二维图纸，对氧压机机座叶轮结构进行1：1参l／(kg·m)／GPa／MP／MPa数化建模，如图l所示。I785021oO．3883785我们对实体模型进行处理，一些对整体结构影响对静态条件下各过盈量和叶轮的应力分布进行分不大的部位可进行简化，以利于有限元模型的建立，考析。虑到整体结构是实体结构，所以采用3D四面体10节点我们对压缩机的过盈量取了9种工况，)Ao．1—0．9单元模拟划网格，如图2所示。mm，限于篇幅，现只给出4种装配应力云图，过盈量取2压缩机叶轮

5、静力学有限元分析0．3mm如图3。过盈量取O．4mm如图4，过盈量取0．5mm如图5，过盈量取O．6mm如图6所示。★浙江省科技厅资助项目(编号：2007C11SA100818)在静态条件下拟合不同过盈量的最大应力图，如收稿日期：2008年8月2009／2机械制造47卷第s34l~图7所刁。虑离心应力时，最大变形出现在进气口端长叶片的牛部，但由受力云图可知这区域的应力不大，故可不考3叶轮强度分析虑，而我们关心的是叶轮在无装配约束条件下其孔3．1忽略装配因素，对叶轮强If_和变形的分析变形量多大，这是至关重要的，因为当孔轴配

6、合的过盈1)强度分析。由图8分析结果可知，在无装配条件量取得较少，以至小于无装配约束下的孔的变形量时，下叶轮的应力最大值为739MPa，出现在两个区域，一就会导致孔轴松脱，这是绝对不允许的。个是在前盖出口端的#1-表面，其结果小于材料屈服值由云图11可知孔的变形量最大为0．2218m—n，出883MPa，由于其位于叶轮外端，处在气流流道以#1-，不现在孔两边缘的+Z端，最小变形出现在一Z端，大／J、受高速气流直接冲刷，虽然应力计算较大，但危险较为0．1207’mm。小，另一个出现在短叶片进气口端根部，如图9，其值为由此对孔

7、的内表面所有单元节点做统计分析，经704MPa，但受到高速气流直接冲刷，相对易出现开裂。拟合处理，得到孔节点和位移分布图，如图l2所示，并2)叶轮变形。由图10可知，叶轮在无装配而只考求出所有节点的平均位移为0．1584mm。由此结果而机械制造47卷第534~]2009／2回I0．2趔《0．15拉幂o．t0．05詹钕05o01000l50020002500方向孔内表面节点号▲图12孔内表面节点和位移分布图▲图13过盈量0．4mm时的叶轮应力云图▲图l4过盈量0．4mm短叶片根部应力云图知，孔轴配合过盈量至少大于0．3mm0

8、3．2考虑过盈装配条件下的叶轮强度由以上分析可知，孔轴装配的过盈量大于0．3mm，另#1-叶轮的材料最大屈服值为883MPa，要求安全系数为1．4，故计算的最大应力为559MPa，由图7静态条件▲图l5过盈量0．5mm时的叶轮应力云图▲图l6过盈量0．5mm时短叶片根部应力云图下拟合不同过盈量的最大应力