基于ANSYS對離心風機葉輪彎曲變形分析與研究

孫曉明

摘? 要：文章以有限元理論為基礎(chǔ)，采用SolidWorks軟件建立了發(fā)生破壞的離心風機葉輪結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)計算模型。應(yīng)用有限元法利用ANSYS軟件詳細對比分析了在該工作轉(zhuǎn)速下葉輪發(fā)生經(jīng)常性破壞的原因，求出了在該工作轉(zhuǎn)速下葉輪的應(yīng)力、變形情況。在此基礎(chǔ)上，提出了增加葉輪剛度和強度的措施：包括改變?nèi)~片的形式、在電機功率允許的條件下增加葉片厚度及更換葉片材料，有效提高了葉輪的安全系數(shù)，為實現(xiàn)風機臨界機號的突破提供了設(shè)計理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離心風機葉輪;剛度;強度;有限元

中圖分類號：TM36+1? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）09-0013-03

Abstract： Based on the finite element theory， the mathematical calculation model of centrifugal fan impeller structure is established using SolidWorks software. Using finite element method and ANSYS software， the causes of frequent failure of impeller at this working speed are compared and analyzed in detail， and the stress and deformation of impeller at this working speed are obtained. On this basis， the measures to increase the stiffness and strength of the impeller are put forward， including changing the form of the blade， increasing the thickness of the blade and replacing the blade material under the conditions permitted by the power of the motor， and effectively improving the safety factor of the impeller. It provides a theoretical basis for the design of the breakthrough of the critical machine number of the fan.

Keywords： centrifugal fan impeller; stiffness; strength; finite element method

引言

離心式風機是眾多工業(yè)部門輸送氣體介質(zhì)的核心機械和主要的能耗設(shè)備。

葉輪是離心風機核心零部件。它的尺寸及強度對通風機性能起著關(guān)鍵性作用。

本文以有限元理論為基礎(chǔ)，對某化工現(xiàn)場離心風機葉輪建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用有限元法分析了葉輪發(fā)生破壞的原因。在此基礎(chǔ)上，提出了增加葉輪剛、強度的措施，有效提高了葉輪的安全系數(shù)，為實現(xiàn)風機臨界機號的突破提供設(shè)計依據(jù)。

1 有限元分析數(shù)學(xué)模型及受力分析

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，可以列出物體的動力學(xué)方程為：

2 葉輪強度及變形計算

葉輪主要由葉片、前盤、后盤、軸盤組成。分析時假定葉片為一固定梁，葉片因旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力假定為在梁上的均布載荷。

離心風機在化工現(xiàn)場運轉(zhuǎn)中，葉輪出現(xiàn)彎曲變形現(xiàn)象，如圖1所示，影響了風機的正常運行。

（1）材料屬性的定義按2205不銹鋼。

（2）網(wǎng)格劃分：通過大量的計算和試驗分析得出：在對葉輪進行網(wǎng)格劃分時，若葉輪的厚度為4.5mm，則劃分的最長單元的邊長控制在4.5mm左右，計算結(jié)果更加精確。網(wǎng)格劃分后的有限元計算模型，如圖2所示。

（3）邊界條件：在葉輪軸孔對周向和軸向施加全約束。

（4）載荷施加：不考慮風壓和軸孔間的預(yù)應(yīng)力，只考慮葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。

3 改進措施

（1）改成直板葉片，將葉片厚度設(shè)定為16mm，再次對葉輪進行分析，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，葉輪的最大位移出現(xiàn)在葉片上，最大的位移量為17mm，位于葉片的中部;葉輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在前盤與葉片的根部焊接處，最大應(yīng)力值為384MPa，安全系數(shù)1.17。

（2）葉片形式不變增加葉片厚度。葉片形式不變，仍為中空機翼型葉片。將葉片的厚度由4.5mm增加至6mm，重新進行分析計算，葉輪的最大位移為12mm;前盤與葉片的根部焊接處的最大應(yīng)力值為288MPa。

（3）改變材質(zhì)

（4）改變風機結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)離心風機的參數(shù)計算選型，選擇雙吸入雙支撐離心風機，風機型號為DFY24.5F-C5A，改變雙吸入后風機曲線對比如圖7及圖8所示。

由圖7及圖8兩種風機曲線對比可以看出，改成雙吸入離心風機后，風機的機號由27.5減小到24.5，也就是說風機的葉輪直徑由2750mm減小到2450mm，比照現(xiàn)有運行的產(chǎn)品，安全系數(shù)大大增加。

從風機效率來看，單吸入風機效率為80%，改成雙吸入離心風機后，風機效率為84.5%。風機的效率提高了4.5%。

4 結(jié)論

本文對化工現(xiàn)場配供冷卻洗滌器風機進行了有限元分析計算，得出其發(fā)生彎曲變形的原因是由于結(jié)構(gòu)的剛、強度不足。并對其提出了改進方案，改進后葉輪額定安全系數(shù)大大提高，詳見表1。

（1）通過增加葉片厚度的方式提高結(jié)構(gòu)的強度，葉片厚度增加30%，強度提高25%。

（2）改變材質(zhì)和增加葉片厚度是提高結(jié)構(gòu)強度的最有效措施，是實現(xiàn)風機臨界機號的突破的保障。

（3）改用雙吸入離心風機，可有效的減小葉輪直徑，減小了離心力，進一步提高了結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，且風機的效率可提高4.5%，軸功率較小了60%。

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