基于ANSYS对离心风机叶轮弯曲变形分析与研究

科技创新与应用

创新前沿基于ANSYS对离心风机叶轮弯曲变形分析与研究孙晓明

（沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁沈阳110022）

ANSYS软件详细对比分析了在该工作转速下叶轮发生经常性破坏的原因，求出了在该工作转速下叶轮的应力、变形情况。在此基础

上，提出了增加叶轮刚度和强度的措施：包括改变叶片的形式、在电机功率允许的条件下增加叶片厚度及更换叶片材料，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了设计理论依据。

强度；有限元关键词：离心风机叶轮；刚度；

中图分类号院TM36+1

文献标志码院A

文章编号院2095-2945渊2019冤09-0013-03

摘要：文章以有限元理论为基础，采用SolidWorks软件建立了发生破坏的离心风机叶轮结构数学计算模型。应用有限元法利用

Abstract:Basedonthefiniteelementtheory,themathematicalcalculationmodelofcentrifugalfanimpellerstructureisestab鄄

lishedusingSolidWorkssoftware.UsingfiniteelementmethodandANSYSsoftware,thecausesoffrequentfailureofimpelleratthisworkingspeedarecomparedandanalyzedindetail,andthestressanddeformationofimpelleratthisworkingspeedareobtained.tor,andeffectivelyimprovingthesafetyfactoroftheimpeller.Itprovidesatheoreticalbasisforthedesignofthebreakthroughofthecriticalmachinenumberofthefan.

Keywords:centrifugalfanimpeller;stiffness;strength;finiteelementmethod

Onthisbasis,themeasurestoincreasethestiffnessandstrengthoftheimpellerareputforward,includingchangingtheformoftheblade,increasingthethicknessofthebladeandreplacingthebladematerialundertheconditionspermittedbythepowerofthemo鄄

引言

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

强度的措施，因。在此基础上，提出了增加叶轮刚、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。

1有限元分析数学模型及受力分析根据经典力学理论，可以列出物体的动力学方程为：[M]{x}+[C]{x}+[K]{x}={F（t）}（1）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}（2）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，

不考虑惯性（如质量、阻尼同时不考虑随时间变化的载荷、

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。

2叶轮强度及变形计算

轴盘组成。分析时假定叶轮主要由叶片、前盘、后盘、

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。

图1离心风机运行后发生破坏图片

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：

冷却洗涤器风机的基本参数：风机型号：SFG27.5F-C4A

（含微量尿素粉尘）输送介质：空气

进口容积流量：625669m3/h

（1984-）风机的设计及应力场分析计算。作者简介：孙晓明，女，硕士，工程师，研究方向：-13-

创新前沿TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

2019年9期风机全压：8855Pa进口温度：37益风机转速：960r/min

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。

SYS本文利用SolidWorks建立三维计算（软1件）材料对上属述性模的定型进行义按有2限元圆05分析不锈，钢计模。算型步，骤再如下：

利用AN原（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。

图2叶轮网格划分模型

（3）边界条件：在叶轮轴孔对周向和轴向施加全约束。（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。

叶轮的有限元分析结果，如图3、图4所示。

图3叶轮变形云图

图4叶轮应力云图

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。

（31）改进措施改成直板叶片，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，

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图5叶轮变形云图

图6叶轮应力云图

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[滓抗拉强度极限[滓s弹性模量E：290GPa

b]]：：550MPa800MPa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C5A，选择，改变双双吸吸入入后双支风撑机离曲线心风对机，比如图风机7型及号图为8DFY24.5F-所示。

图7单吸入双支撑离心风机曲线

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

2019年9期TechnologyInnovationandApplication

科技创新与应用

创新前沿强度不足。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%。参考文献院

图8双吸入双支撑离心风机曲线

表1改进前后对比分析

田华，等援提高离心通风机叶轮性能浅述[J]援风[1]翟瑞虎，焦金焱，机技术，2008（6）：57-60援[2]李庆宜援通风机[M]援西安：西安交通大学出版社，2005援

刘梦安，等.基于ANSYS的离心风机叶轮有限元[3]高平，张文焘，

原机翼叶轮 改成直板叶片 增加叶片厚度 改变材质 最大强度 最大位移量 安全系数 （MPa） (mm) 512 384 288 288 42 17 12 9 0.88 1.43 1.56 1.87 分析[J].机械工程师，2012，16（6）：59-60援

楚武利.离心风机叶轮叶片气动优化研究[J].流体机械，[4]邓敬亮，

2013，41（7）：24-27援

[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援

。4.5%4结论

2010.本文对化工现场配供冷却洗涤器风机进行了有限元国水力水电出版社，

机械工业出版社，1999援分析计算，得出其发生弯曲变形的原因是由于结构的刚、[8]续魁昌援风机手册[M]援北京：

analysisbasedonHilberttransform[J].Journalofsoundand

vibration，2006（295）：518-530.

中[7]浦广义.ANSYSWorkbench12基础教程与实例详解[M].北京：

[6]FELDMANM.Time-varyingvibrationdecompositionand

渊上接12页冤

减小三次非线性刚下，分别适量增大阻尼、减小激励振幅、

度都可以阻止1/3次亚谐共振的发生。

取于1/2次亚谐共振章节取相同的参数，可以得出下图：

车辆二自由度与单自由度垂向振动模型。

（1）采用多尺度法，在二自由度模型中分析了激振频

分析了其跳跃即动态分率在车体固有频率附近的主共振，

减小激励振幅可以消除这岔现象，并指出增大二系阻尼、

种现象。

（2）在单自由度模型中分析了在激励频率远离固有频率时车辆系统的1/2次亚谐共振与1/3次亚谐共振，指出增大阻尼、减小非线性刚度、减小激励振幅可以阻止亚谐共振的发生。参考文献院

4结论

本文建立了同时具有二次和三次非线性刚度的铁道

图81/3次亚谐共振幅频曲线

[1]胡海岩.应用非线性动力学[M].北京：航空工业出版社，2000：57-96.[2]盛云，吴光强.基于IHBM的汽车非线性悬架系统定量研究[J].

，同济大学学报（自然科学版）2011，39（03）：405-410.

[3]彭福泰.车辆空气弹簧悬挂系统动力学特性研究[D].兰州交通大学，2017.

[4]尹万建.汽车空气弹簧悬架系统的非线性动力学行为研究[D].北京交通大学，2007.

[5]张定贤.一种用于二系悬挂的新橡胶弹簧冥冥沙漏式旁承弹簧[J].电力机车技术，1999（01）：7-9+13.

孙丽霞.机车车辆动力学[M].北京：[6]姚建伟，科学出版社，2014：

201-202.

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