离心风机叶轮弯曲变形分析_董玘垚.pdf

化学工程与装备 2022 年 第 12 期 176 Chemical Engineering&Equipment 2022 年 12 月 离心风机叶轮弯曲变离心风机叶轮弯曲变形分析形分析 董玘垚，朱为国，吴 帅（淮阴工学院机械与材料工程学院，江苏 淮安 223000）摘摘 要：要：在离心风机中，叶轮部件是很重要的部分，它的性能很大程度上决定了离心风机的性能。本文使用 SolidWorks 软件绘制离心风机叶轮三维模型图，分别运用传统计算方法与有限元分析方法对叶轮的强度与刚度进行校核计算，分析在两种方法下叶轮的应力、变形情况。比较两种方法下叶轮的弯曲变形差异，并提出提高叶轮强度和刚度的措施。结果表明选用有限元分析方法进行结构校核更好。关键词：关键词：离心风机叶轮；传统计算方法；有限元分析；强度；刚度 离心风机是一种将机械能转化为气体压力能，并用来输送气体的流体机械。它被广泛地应用于国民生产生活领域，如：化工、冶金、电力等1。在离心风机中，叶轮叶片是很重要的部分，它的结构与尺寸对离心风机的性能有着重要的影响2。本文通过两种方法对离心风机叶轮进行对比，分析两种方法下的弯曲变形差异，为以后的风机叶轮强度与刚度校核提供一定的参考。并且提出了一些增加强度与刚度的措施。1 1 叶片强度的传统计算方法叶片强度的传统计算方法 叶片的受力情况较为复杂，它除了要受到由本身重量产生的离心力外，还要受到由气动力作用引起的附加应力和轮盘与叶片相互牵制引起的应力。但在一般在实际的工程计算中，其它力的影响较小，一般忽略不计，只考虑叶片的离心力3。叶片与前后盘有不同类型的连接方法，针对不同的方法可以对叶片做不同的假设，如果采用铆钉结构，就假定叶片为简支梁，如图 1 所示；如果采用焊接结构，则假定叶片为固定梁，如图 2 所示。通常来说叶片上的载荷按照均布载荷计算。图图1 1 简支梁简支梁 图图2 2 固定梁固定梁 梁的最大弯曲应力为：WMmaxmax=式中，为最大弯矩；为抗弯截面模量。两种安装形式的叶片最大弯矩和最大应力计算公式如表 1 所示。表表 1 1 叶片最大弯矩、最大应力叶片最大弯矩、最大应力 叶片安装形式 简化模型 出现位置 铆接 简支梁 叶片中心 焊接 固定梁 叶片两端 注：q为叶片上均布载荷；b为叶片宽度；W为抗弯模量。本文中的叶片是焊接结构，因此简化为固定梁。代入数据得最大应力为 35MPa，因为叶片的材料为 Q235 钢，其许用应力为 156.7MPa，所以满足强度要求。2 2 叶轮的有限元分析叶轮的有限元分析 通过 Solidworks 软件建立风机实体模型，再将其导入有限元分析软件，并重新生成有限元模型对其进行求解。建模时可以对一些细小的特征进行简化，比如倒角等，这样可以减少网格划分后的单元和节点数量，达到节省计算时间，DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.092 董玘垚：离心风机叶轮弯曲变形分析 177 并且提高分析计算效率的作用。风机叶轮流道处的结构和流道较为复杂，因此使用非结构网格进行网格划分。离心风机叶轮处轮盘和轴盘之间采用螺栓连接，由风机转轴带动其转动。叶轮在转动时没有轴向移动，同时轴盘上的螺栓孔表面也没有周向位移。所以对叶轮进行静力分析时约束方式为：螺栓孔内表面的周向和轴向自由度为零。前文已经说明离心风机工作时叶轮主要受离心力作用。离心力可以通过输入扭矩 47.5N/m 施加惯性载荷来实现。对叶轮施加位移约束和惯性载荷后，进行求解。经过有限元分析后的叶轮叶片部分的等效应力云图如图 3 所示。由该图可以清楚地看出，最大应力出现在叶轮后盘螺栓连接处，整个叶轮与叶片部分没有发生太大的应力变化，且最大应力也小于材料的许用应力，满足强度要求。图图3 3 叶轮等效应力图叶轮等效应力图 叶轮与叶片的总变形量分布云图如图 4 所示。在总变形云图中，可以看到叶轮的总变形量变化规律为，以叶轮的旋转轴为中心，离旋转轴越远，总变形量就越大。叶轮的最大变形量发生在叶轮前盘的最外端以及叶片的边缘处，叶片变形具有循环对称的特点。总体来说，叶轮与叶片的变形不是很明显。图图 4 4 叶轮总变形量云图叶轮总变形量云图 为了减少弯曲变形的发生，可以提高焊接的工艺、增加叶片的厚度，还可以在叶片下端靠近轮盘出增加相应厚度的加强板来提高叶片的刚度和强度。3 3 结结 语语 使用强度校核方法来对离心风机进行设计时，假设和简化会使得计算得到的结果小于实际值，并且这种计算方法较为保守，会使得在设计和制造过程中材料被浪费，提高成本的状况。因此可以通过有限元分析方法来分析计算叶轮的弯曲变形情况，这样可以节省计算时间与节约成本，还可以直观的看出叶轮部分的弯曲变形情况。参考文献参考文献 1 王洪旗,李广辉.泵与风机M.北京中国电力出版社,2012:3.2 吴昌,赵军,等.叶轮结构对离心风机流动特性及性能影响的研究J.机械研究与应用,2011(6):12-14.3 李吉成,果霖,朱景林,等.基于 ANSYS Workbench小麦脱粒机离心风机叶轮有限元分析J.云南农业大学学报,2015,30(6):951-957.4 Chien-Hsing Li,Hong-Shun Chious,Chinghua Hung,et al.Integration of finite element analysis and optimum design on gear systemsJ.Finite Elements in Analysis and Design,28(2002):179-192.