基于ANSYS-CFX的離心壓縮機(jī)葉輪流固耦合仿真分析

李星峰，王玲，殷國富

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基于ANSYS-CFX的離心壓縮機(jī)葉輪流固耦合仿真分析

李星峰，王玲*，殷國富

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

依據(jù)某公司對(duì)生產(chǎn)一臺(tái)智能橇裝式LNG液化設(shè)備的技術(shù)要求，以其中的離心壓縮機(jī)核心部件葉輪為研究對(duì)象，通過對(duì)葉輪的數(shù)字化設(shè)計(jì)計(jì)算，建立葉輪的三維模型和CFD有限元模型，應(yīng)用ANSYS-CFX流體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)葉輪進(jìn)行單向流固耦合仿真研究，分析了葉輪內(nèi)部流體氣動(dòng)壓力和流場溫度變化對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響，得到了葉輪溫度和壓力分布云圖以及考慮流固耦合影響后的葉輪的應(yīng)力變形云圖。研究結(jié)果表明：離心壓縮機(jī)級(jí)溫度升高較大，應(yīng)在葉輪出口加入極間冷卻；流場氣動(dòng)壓力對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)影響較小，但在離心慣性力作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力很大，盡量采用高強(qiáng)度材料，并控制葉輪極限轉(zhuǎn)速。

離心壓縮機(jī)；葉輪；CFD；單向流固耦合

離心式壓縮機(jī)具有壓縮流量大、占地面積小、效率高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等領(lǐng)域。離心壓縮機(jī)通過電機(jī)或蒸汽透平驅(qū)動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體做功，使低壓低溫的氣體變成高壓高溫狀態(tài)，再通過擴(kuò)壓器降速并進(jìn)一步升高壓力，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成氣體的壓力能和熱能[1-2]。葉輪是離心壓縮機(jī)的核心部件，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的離心壓縮機(jī)內(nèi)部流體的運(yùn)動(dòng)和載荷變化十分復(fù)雜，葉輪強(qiáng)度和剛度的穩(wěn)定性對(duì)離心壓縮機(jī)的運(yùn)行至關(guān)重要。本文依據(jù)某公司LNG液化設(shè)備技術(shù)要求針對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行數(shù)字計(jì)算和仿真分析。

1 主要參數(shù)

根據(jù)公司的技術(shù)要求和相關(guān)資料，該LNG離心壓縮機(jī)日處理量為600000 m3，以原料氣作為制冷劑，其中含少量的氮?dú)獾入s質(zhì)氣體。確定該離心壓縮機(jī)一級(jí)葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 葉輪設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)

作為壓縮機(jī)級(jí)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，離心壓縮機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)滿足四個(gè)要求：①使壓縮機(jī)級(jí)的壓力比達(dá)到要求；②使壓縮機(jī)的體積流量達(dá)到要求；③保證好的級(jí)效率和穩(wěn)定工作范圍；④滿足葉輪強(qiáng)度剛度要求[1]。

2.1 葉輪主要參數(shù)計(jì)算

在葉片計(jì)算時(shí)，首先求出滿足離心壓縮機(jī)級(jí)壓力比所需要的多變功。

（2）計(jì)算葉輪圓周速度

式中：阻＋漏為損失系數(shù)；2u為周速系數(shù)。

（3）計(jì)算葉輪外徑

根據(jù)流體連續(xù)定律，外徑可根據(jù)離心壓縮機(jī)級(jí)的出口情況和級(jí)氣體流量體積求得：

式中：2/為出口相對(duì)寬度；2為出口阻塞系數(shù)；2r為流量系數(shù)；k2為出口比容比。

總之，數(shù)學(xué)教學(xué)改革是逐步累積的，提高初中數(shù)學(xué)課堂教學(xué)的有效性工作也不能一蹴而就，但只要每位數(shù)學(xué)教師積極投身于課堂教學(xué)改革，用自己的眼光發(fā)現(xiàn)問題，用自己的思考分析問題，用自己的智慧解決問題，多管齊下，共同努力，相信數(shù)學(xué)課堂必將充滿朝氣與活力，數(shù)學(xué)課堂教學(xué)效果也一定能大大提高。

2.2 葉輪結(jié)構(gòu)與三維建模

經(jīng)過葉輪參數(shù)計(jì)算，可得葉片主要參數(shù)外徑＝900 mm，輪轂直徑＝240 mm，轉(zhuǎn)速＝8400 r/min。葉輪的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式都可以求出，結(jié)構(gòu)上采用半開式后彎葉輪，材料為壓制不銹鋼，葉片數(shù)為20。使用三維建模軟件SolidWorks完成葉輪建模，如圖1所示，葉輪結(jié)構(gòu)包括輪盤、輪轂、徑向葉片。

圖1 葉輪三維模型

3 單向流固耦合仿真分析

離心壓縮機(jī)工作時(shí)對(duì)氣體做功，而葉輪是壓縮機(jī)唯一的做功元件，葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的能量轉(zhuǎn)換，因此在對(duì)葉輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須考慮流體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。由于葉輪變形不大，結(jié)構(gòu)變化反過來對(duì)流場的改變就很小，故此處僅采用CFX軟件進(jìn)行單向流固耦合分析。CFX是一款計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件，在流固耦合方面有顯著的優(yōu)勢(shì)。

3.1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是建立在流體力學(xué)理論基礎(chǔ)上的，相對(duì)應(yīng)的彌補(bǔ)理論分析的不足。它運(yùn)用離散化的方法將流體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，仿真流體力學(xué)的流體運(yùn)動(dòng)和能量交換，對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的結(jié)果計(jì)算求解，得到流體分析的數(shù)值解，而不是解析解。

3.2 葉片CFD有限元模型

在ANSYS WorkBench界面直接打開單向流固耦合分析（FSI）模塊，將建立好的三維葉片模型導(dǎo)入，進(jìn)入WorkBench幾何建模界面。在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行流場的建模，流場模型包括流體域、流場入口、流場出口，對(duì)流場模型設(shè)置添加凍結(jié)?？紤]到流場在葉輪上的對(duì)稱性，建模時(shí)只保留了一半的流場域，既節(jié)省計(jì)算時(shí)間，也便于在結(jié)構(gòu)分析時(shí)和無添加流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比。模型建立好后對(duì)其劃分網(wǎng)格，實(shí)體和流體域的網(wǎng)格分開劃分，流場網(wǎng)格尺寸應(yīng)比實(shí)體網(wǎng)格略小。生成的有限元模型如圖2所示，共得到55980個(gè)節(jié)點(diǎn)、123581個(gè)單元。

圖2 葉輪有限元模型

3.3 葉片CFD數(shù)學(xué)模型

（1）流體模型

CFX擁有豐富的物理模型。氣動(dòng)性能計(jì)算約束，施加重力場，離心慣性力設(shè)定為施加周向的旋轉(zhuǎn)速度。進(jìn)行葉輪強(qiáng)度分析，如圖5所示。 定義理想天然氣，采用迎風(fēng)對(duì)流模式。根據(jù)葉輪流體域雷諾數(shù)確定流動(dòng)情況，雷諾數(shù)定義為：

式中：為流體的密度，kg/m3；為流體黏度，MPa·s；為速度，m/s；為流體域長度，m。

因此確定流體的運(yùn)動(dòng)為湍流，選擇氣體流動(dòng)模型為CFX默認(rèn)的湍流－模型，壁面對(duì)應(yīng)為Scalable壁面函數(shù)模型。流體域和固體域均設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)，流體域熱量傳輸定義為全熱模型，固體域設(shè)置為絕熱模型，其余設(shè)置默認(rèn)。

（2）邊界條件

邊界設(shè)置如圖3所示，設(shè)定事先建立的流體域入口和出口邊界，其余默認(rèn)設(shè)置為壁面。入口邊界條件設(shè)定質(zhì)量流量、入口溫度值；出口邊界設(shè)定出口相對(duì)壓力值，壁面設(shè)定為無滑移邊界。收斂判據(jù)設(shè)定為殘差小于1×10-3或迭代步數(shù)大于100步。

圖3 邊界模型

3.4 流固耦合

CFX默認(rèn)求解器求解完成后，后處理生成葉片流體分析的結(jié)果，如圖4所示。

將流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算收斂的結(jié)果（溫度和壓力）導(dǎo)入靜力分析模塊，在靜力分析前重新劃分網(wǎng)格，模型選項(xiàng)將流場體設(shè)置為抑制，不考慮流場質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)上葉輪受到重力、離心慣性力，約束設(shè)置為輪轂配合面固定

圖4 葉輪流體分析結(jié)果

圖5 靜力分析結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出，離心壓縮機(jī)級(jí)的溫度變化很大，出口處將近100 ℃，但溫度變化及流體氣動(dòng)載荷對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響較小，甚至流體氣動(dòng)載荷對(duì)葉輪的壓力和離心慣性力相比相差兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)。葉輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值發(fā)生在輪轂近輪盤端，最大變形發(fā)生在輪盤邊緣。

3.5 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

模態(tài)分析是求解物體固有頻率的一種數(shù)值方法。對(duì)于葉輪，其處在強(qiáng)大的氣體渦旋流動(dòng)中，振動(dòng)破壞是常見的失效形式。因此對(duì)于葉輪進(jìn)行模態(tài)提取、避免共振具有重要意義。考慮葉輪受自身高速運(yùn)轉(zhuǎn)以及流體運(yùn)動(dòng)的影響，在前面計(jì)算求解的基礎(chǔ)上進(jìn)行葉輪預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。葉輪材料為壓制不銹鋼，密度7750 kg/m3，彈性模量1.93×1011Pa，泊松比0.31，得到前6階固有頻率和振型如表2和圖6所示。

從模態(tài)分析結(jié)果可以看出1階頻率為791 Hz，發(fā)生共振可能性較小，葉輪變形對(duì)稱，說明流體對(duì)葉輪剛度的影響較小。

表2 葉輪前6階固有頻率

4 結(jié)論

通過對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪數(shù)字化設(shè)計(jì)并建立幾何及數(shù)學(xué)流體模型，運(yùn)用ANSYS WorkBench和CFX軟件進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果可得如下結(jié)論：

（1）隨著壓力的提升，離心壓縮機(jī)級(jí)從入口到出口溫度持續(xù)上升，在出口溫升最大；

（2）流體產(chǎn)生氣動(dòng)壓力對(duì)葉輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固有頻率影響較小，基本和只考慮離心慣性力時(shí)相當(dāng)；

（3）葉輪的結(jié)構(gòu)載荷主要來自離心慣性力，且葉輪的最大應(yīng)力位于輪轂近輪盤端，最大變形位于輪盤最外邊緣；

（4）模態(tài)提取結(jié)果顯示發(fā)生共振的可能性較小。

因此，根據(jù)仿真分析結(jié)論建議葉輪優(yōu)化時(shí)，在離心壓縮機(jī)加入葉輪級(jí)間冷卻，防止過大的溫升引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力不平衡。盡量選擇強(qiáng)度高的葉輪材料，防止葉輪輪轂破壞。提取的固有頻率，可以作為參考設(shè)置葉輪轉(zhuǎn)子的極限轉(zhuǎn)速。

圖6 葉輪前6階模態(tài)振型

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Uniflow Solid Coupling Simulation Analysis of Centrifugal Compressor Impeller Based on ANSYS CFX

LI Xingfeng，WAN Ling，YIN Guofu

( School of Manufacturing Science & Engineering,Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065,China )

On the basis of technical requirements given by a company for producing an intelligent skid-mounted type LNG liquefaction equipment, this paper takes the core component impeller in the centrifugal compressor as the researching object, and the impeller three dimensional model and CFD finite element model is established through digital design and calculation. The paper studies the impeller uniflow fluid-solid coupling simulation by the application of ANSYS-CFX fluid dynamics analysis software. We analyze the influence of internal fluid pneumatic pressure and temperature changing to the impeller structure strength and stiffness to acquire the cloud image about the temperature and pressure, and the deformation and stress image of the impeller after considering fluid-structure interaction effects. The results show that the temperature rising is big, therefore electrode cooling should be joined in the impeller outlet. The temperature changes and pneumatic pressure on impeller structure is less affected, but the structure stress is very big under the action of centrifugal force, so material of as high strength as possible should be used, and the impeller’s maximum speed should be limited.

centrifugal compressor；the impeller；CFD；uniflow solid coupling

TH452；TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.004

1006－0316 (2018) 05－0014－05

2017－10－20

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2016GZ016）

李星峰（1993－），男，湖南婁底人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造；王玲（1971－），女，浙江臨海人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化；殷國富（1956－），男，四川西充人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橹圃熳詣?dòng)化、智能設(shè)計(jì)技術(shù)、CAD/CAM/CIMS。