基于Workbench 的離心葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

靳亞峰，范小平，趙先波，羅方，覃小文

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

能源裝備企業(yè)肩負(fù)著國家能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的使命與擔(dān)當(dāng)，儲能是公司落實(shí)國家“雙碳”政策，推動科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型而重點(diǎn)發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)。二氧化碳由于其工質(zhì)密度大，存儲成本低；容量大、儲能時間長、安全可靠；系統(tǒng)建設(shè)選址對地理?xiàng)l件無特殊要求等特點(diǎn)，是一種比較理想的壓縮氣體儲能方式，所以二氧化碳儲能是公司儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先方向。

葉輪是離心式壓縮機(jī)級中唯一對氣體做功、使氣體獲得能量的元件，其性能對壓縮機(jī)整級性能有著至關(guān)重要的影響[1]。大型離心式壓縮機(jī)是衡量一個國家裝備制造業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志性設(shè)備之一[2]。葉輪的安全性和葉輪與轉(zhuǎn)子之間的接觸狀態(tài)直接影響整個機(jī)組的安全性。國內(nèi)外對壓縮機(jī)葉輪強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究很多，Ramamurti 等通過循環(huán)對稱方法，對渦輪增壓器中的離心葉輪用簡化模型有限元方法進(jìn)行了應(yīng)力分析[3]，揚(yáng)陽等應(yīng)用ANSYS 對某壓縮機(jī)半開式葉輪進(jìn)行了應(yīng)力分析和模態(tài)分析[4]。

本文以某二氧化碳儲能項(xiàng)目的基本級葉輪為研究對象，由于該項(xiàng)目壓比大，對應(yīng)的能量頭較大，葉輪的外徑大，需要選用相對較高的葉輪線速度。運(yùn)用大型有限元分析軟件Workbench 對葉輪的強(qiáng)度和葉輪與轉(zhuǎn)子的接觸進(jìn)行分析，并探討影響離心式壓縮機(jī)葉輪安全性的主要因素，為后期葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)性建議。

1 有限元模型的建立和計算邊界條件

本文研究的葉輪為閉式三元葉輪。葉輪和轉(zhuǎn)子材料均為合金鋼，材料的物理屬性見表1。

表1 葉輪和轉(zhuǎn)子材料的物理屬性

本文采用NREC 軟件對葉輪造型，導(dǎo)入Pro-e進(jìn)行輪盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計。葉輪三維模型如圖1 所示。

圖1 葉輪三維模型

本機(jī)組的裝配方式為紅套，葉輪和轉(zhuǎn)子過盈配合，機(jī)組為定速運(yùn)行的壓縮機(jī)機(jī)組。本文對工作狀態(tài)下的葉輪應(yīng)力情況進(jìn)行分析，研究葉輪幾個重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸對葉輪應(yīng)力的影響。

2 網(wǎng)格無關(guān)性論證

網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到有限元的分析結(jié)果，用Workbench 對單扇區(qū)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性論證，分別對葉輪和轉(zhuǎn)子進(jìn)行2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm 的網(wǎng)格劃分，對局部倒圓角和葉輪進(jìn)氣邊進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm，發(fā)現(xiàn)葉輪網(wǎng)格尺寸控制在4 mm、轉(zhuǎn)子網(wǎng)格尺寸控制在6 mm，倒圓角網(wǎng)格尺寸控制在1 mm，強(qiáng)度分析結(jié)果趨于穩(wěn)定，進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)格，對結(jié)果影響不大。葉輪網(wǎng)格劃分如圖2 所示，此時單扇區(qū)的網(wǎng)格數(shù)在5萬左右。

圖2 葉輪網(wǎng)格劃分圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

考慮到機(jī)組的氣動性能，葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化暫不對葉片成型規(guī)律進(jìn)行改變，避免葉輪內(nèi)部流道變化引起氣動性能的變化，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括以下幾個方面：葉片的厚度、葉片根頂部倒角、輪轂的結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)流錐的結(jié)構(gòu)尺寸、葉輪與轉(zhuǎn)子接觸面的軸向長度。

離心葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首先要根據(jù)葉輪外徑尺寸確定葉片厚度和根頂部倒圓角的大致范圍，再進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的細(xì)節(jié)優(yōu)化。本文首先對葉片厚度和根頂部倒圓角對應(yīng)力的影響進(jìn)行評估，分析結(jié)果如圖3 所示。由圖3 得知，葉片厚度增加，葉輪的剛性增強(qiáng)，整個葉輪的應(yīng)力呈下降趨勢。根頂部圓角增加也會降低葉輪應(yīng)力。

圖3 葉片厚度和根頂部圓角對應(yīng)力的影響

工程實(shí)際中，葉片厚度和倒角過大不僅會影響整個流道的通流面積，而且會增加葉輪重量，從而影響到轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度振動。因此，葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計一般會綜合考慮氣動性能、葉輪強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度，選取結(jié)構(gòu)相對合理的葉片厚度和根頂部倒角。此級葉輪選取葉片厚度為4 mm，倒圓角為3 mm。

進(jìn)一步對二氧化碳儲能項(xiàng)目葉輪的輪轂、導(dǎo)流錐、葉輪與轉(zhuǎn)子接觸面軸向長度進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，三維有限元分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化前葉輪的三維分析結(jié)果

由圖4 分析結(jié)果可以看出，目前的葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計中葉輪倒圓角部位局部應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度，且葉輪和轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)下有前傾趨勢。究其原因，可能是口圈位置導(dǎo)流錐尺寸太大，葉輪質(zhì)心靠近入口位置，導(dǎo)致葉輪在工作狀態(tài)下有前傾趨勢。

為了改善葉輪和轉(zhuǎn)子的接觸狀態(tài)，進(jìn)一步對二氧化碳儲能項(xiàng)目葉輪的輪轂、導(dǎo)流錐、葉輪與轉(zhuǎn)子接觸面軸向長度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)三維分析結(jié)果，將導(dǎo)流錐的尺寸適當(dāng)減小，同時加大輪轂位置的傾角，增大輪轂厚度，調(diào)整葉輪的質(zhì)心位置。結(jié)構(gòu)尺寸改動示意圖如圖5 所示。

圖5 葉輪主要優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

對優(yōu)化后的葉輪進(jìn)行三維建模，重新評估葉輪的強(qiáng)度。三維分析結(jié)果如圖6 所示。

圖6 優(yōu)化后葉輪的三維分析結(jié)果

由分析結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的葉輪結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在葉輪倒圓角部位，局部應(yīng)力有明顯下降。與優(yōu)化前相比，在工作狀態(tài)下葉輪和轉(zhuǎn)子的接觸狀態(tài)良好。

4 結(jié)論

本文在保證氣動性能不變的情況下，運(yùn)用大型有限元分析軟件Workbench 對葉輪的強(qiáng)度和葉輪與轉(zhuǎn)子的接觸狀態(tài)進(jìn)行了分析。研究表明葉片厚度、根頂部圓角的適當(dāng)增大會降低葉輪的應(yīng)力。通過調(diào)整輪轂的結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)流錐的結(jié)構(gòu)尺寸、葉輪與轉(zhuǎn)子接觸面的軸向長度，改變?nèi)~輪質(zhì)心的位置，不僅可以改善葉輪和轉(zhuǎn)子之間的接觸狀態(tài)，也可以有效降低葉輪的應(yīng)力。