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基于 ANSYS 对离心风机叶轮弯曲变形分析与研究

时间:2019-10-09 02:08   tags: 产品四类  

  离心式风机是众多工业部门输送气体介质的核心机械和主要的能耗设备。叶轮是离心风机核心零部件。它的尺寸及强度对通风机性能起着关键性作用。

  本文以有限元•□▼◁▼理论为基础,对某化工现场离心风机叶轮建立数学模型,应用有限元法分析了叶轮发生★△◁◁▽▼破坏的原 因。在此基础上,提出了增加叶轮刚、强度的措施,有效提高了叶轮的▷•●安全系数,为实现风机临界机号的突破提供设计依据。

  式中:[M]是质量矩阵;[C]是阻尼矩阵;[K]是刚度矩阵;{x}是唯一的导数;{F}是力矢量。

  在线性静力结构分析中,所有与时间相关的选项都可被忽略,于是得到以下方程式:[K]{x}={F}

  在分析中应满足以下假设条件:[K]矩阵必须是连续的,相应的材料满足线弹性和小变形理论;{F}矩阵为静力载荷,同时不考虑随时★◇▽▼•间变化的载荷、不考虑惯性(如质量、阻尼 等)影响。

  离心风机叶片上受力主要有两种:一种是由旋转质量 产生的离心△▪▲□△力,一种是由流过叶片的气流产生的气动力。虽然这两种力在叶片工作时都是变化的,但传统分析时一般采用离心力进行计算。叶片受热不均匀也会引起热应力,但热应力都较小,计算时忽略▪•★不计。

  叶轮主要由叶片、前盘、后盘、轴盘组成。分析时假定叶片为一固定梁,叶片因旋转产生的离心力假定为在梁上的均布载荷。离心风机在化工现场运转中,叶轮出现弯曲变形现象,如图 1 所示,影响了风机的正常运行。

  本文应用有限元数值分析理论和方法,对叶轮结构的刚、强度进行分析计算与性能的改进。具体分析过程如下:

  离心风机要求叶轮防腐,故叶轮、前盘、后盘采用 2205 高强度不锈钢板焊接而成。叶轮与轴盘采用螺栓连接,并采用自制锁紧○▲-•■□垫片进行锁紧。

  本文利用 SolidWorks 建立三维计算模型,再利用 ANSYS 软件对上述模型进行有限元分析,计算步骤如下:

  (2)网格划分:通过大量的计算和试验分▪▲□◁析得出:在对叶轮进行网格划分时,若叶轮的厚度为4.5mm,则划分的 最长单元的边长控制在 4.5mm 左右,计算结果更加精确。网格划分后的有限元计算模型,如图 2 所示。

  (4)载荷施加:不考虑风压和轴孔间的预应力,只考虑叶轮旋转产生的离心力。

  由图 3 和图 4 可知,叶轮的最大位移出现在叶片上, 最大的位移量为42mm,位于叶片的中部。叶轮的最大应力出现在前盘与叶片的根部焊接处,最大应力值为 512MPa, 已经超过了▲●…△材料的屈服强度极限,故叶轮出现弯曲变形。

  (1)改成直板叶片,将叶片厚度设定为 16mm,再次对 叶轮进行分析,分析结果如图 5 和图 6所示。由图 5和图 6 ◁☆●•○△可知,叶轮的最大位移出现在叶片上, 最大的位移量为 17mm,位于叶片的中部;叶轮的最大应力 出现在前盘与叶片的根部焊接处,最大应力值为 384MPa,安全系数 1.17。

  (2)叶片形式不变增加叶片厚度。叶片形式不变,仍为中空机翼型叶片。将叶片的厚度由 4.5mm 增加至 6mm,重新进行分析计算,叶轮的最大位移为 12mm;前盘与叶片的根部焊接处的最大应力值为 288MPa。

  (3)改变材质◆■ 叶片材料改为 2507 不锈钢,性能参数如下:屈服强度极限[σs]:550MPa 抗拉强度极限[σb]:800MPa 弹性模量 E:290GPa 改变材料后结构的安全系数提高了 1.22 倍。

  (4)改变风机结构形式。根据离心风机的参数计算选型,选择双吸入双支撑离心风机,风机型号为 DFY24.5F—C5A,改变双吸入后风机曲线 所示。

  由图 7 及图 8 两种风机曲线对比可以看出,改成双吸 入离心风机后,风机的机号由 27.5

  减小到 24.5,也就是说 风机的叶轮直径由 2750mm 减小到 2450mm,比照现有运行的产品,安全系数大大增加。从风机效率来看,单吸入风机效率为 80%,改成双吸 入离心风机后,风机效率为 84.5%。风机的效率提高了4.5%。

  本文对化工现场配供冷却洗涤器风机进行了有限元分析计算,得出其发生弯曲变形的原因是由于结构的刚、强度不足。并对其提出了改进方案,改进后叶轮额定安全系数大大提高,详见表 1。

  (1)通过增加叶片厚度的方式提高结构的强度,叶片厚度增加 ◆●△▼●30%,强度提高 25%。

  (2)改变材质和增加叶片厚度是提高结构强度的最有效措施,是实现风机临界机号的突破的保障。

  (3)改用双吸入离心风机,可有效的减小叶轮直径,减小了离心力,进一步提高了☆△◆▲■结构的安全系数,且风机的效率可提高 4.5%,轴功率较小了 60%。

  [1]翟瑞虎,焦金焱,田华,等提高离心通风机▽•●◆叶轮性能浅述[J]风机技术,2008(6):57-60

  [3]高平,张文焘,刘梦安,等基于 ANSYS 的离心风机叶轮有限元 分析[◇•■★▼J].机械工程师,2012,16(6)59-60

  [4]邓敬亮,楚武利.离心风机叶轮叶片气动优化研究[J].流体机械, 2013,41(7):24-27

  [5]丁铁华.基于有限元法的离心风机叶轮强度分析与结构优化[J]. 风机技术,2011(6):14-17

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