基于ANSYS Workbench的压缩机叶轮模态分析

2013-09-18尹君驰贾明印

当代化工 2013年7期

尹君驰, 李新, 贾明印

（新疆工程学院机械工程系，新疆乌鲁木齐830091）

叶轮是离心压缩机转子的核心部件，它结构复杂，工作稳定性要求高。整个压缩机组安全、稳定工作运转依赖于叶轮的可靠性，可以说叶轮的可靠性基本上代表了大型离心压缩机的可靠性。随着现代离心压缩机向大型化、高速高压比化等方向发展，对叶轮的要求也越来越高，长久以来，叶轮的可靠性问题始终阻碍我国大型离心压缩机的发展。因此，研究和分析叶轮的可靠性己经成为迫切需要解决的问题[1]。

本文运用大型通用有限元分析软件ANSYS，对某型压缩机叶轮进行了模态分析，计算出其固有频率和振型，为叶轮的动态特性设计提供了理论依据。

1 转子系统模态分析

由振动学知识可知，多自由度无阻尼系统自由振动方程为：

若假定叶轮系统各部分的振动为运行频率和相位均相等的简谐振动，求解得到特征值求解方程：

ωi—第i阶模态的固有频率。

由于叶轮在实际运行中常处于高速旋转状态，而叶片长度厚度比较大。在受离心力作用时，叶片的应力刚化效应显著，所以需要考虑带有预应力情况下的系统振动情况[2]。此时特征值求解方程相应的变为：

在实际运行中，主要是低阶次的模态响应对叶轮性能影响较大，且求解模型的自由度不超过10000，故选用子空间方法进行求解。这种方法采用了完整的M和K矩阵，通过自动生成雅可比迭代算子进行计算，与其他方法比较，其求解精度很高，能够节约大量的计算内存[3]。

模态分析的作用在于识别出系统的模态参数，为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据[4]。

2 系统仿真建模求解

本文中压缩机叶轮的主要参数如下：叶轮的外径尺寸为1 060 mm，由轴盘、叶片、盖盘三部分组成，其中叶片数共16个，叶片根部有半径为3 mm的导圆角（焊缝），材料为高强度结构钢，弹性模量2.2×1 011 N/m2，泊松比0.3，密度7 860 kg/m3，屈服极限为1 030 MPa，强度极限为1 125 MPa，运行转速5 540 r/min。

采用Pro/E 5.0绘制压缩机叶轮系统三维实体结构模型，如图1所示。将Pro/E 5.0建立的三维模型生成符合 IGES标准的接口文件，通过通用接口导入有限元ANSYS workbench软件。

图1 叶轮系统三维实体图Fig.1 The 3D entity of the Impeller system

格划分采用智能网格划分，采用Ansys Meshing进行非结构化网格划分网格数为76 481，节点数为131 104。计算单元为Solid186单元（高阶三维20节点固体结构单元）；每个节点具有3个沿XYZ方向平移的自由度；具有二次位移模式，对不规则网格模拟较好；它具有任意空间各向异性，支持塑性、超弹性、大应变等分析，如图2所示。

图2 叶轮系统网格划分图Fig.2 Grid division of the Impeller system

网为了研究叶轮系统在压缩机运转时是否会发生共振，需要计算叶轮系统的固有频率。为简化分析，将轴肩定位简化为对于定位处轴向位移的限制，同时叶轮在正常运行条件下，沿周向不动，随转轴转动[5,6]。

一般引起压缩机共振的主要是较低的阶次频率。因此，本文在利用ANSYS workbench求解以及扩展模态时，提取了叶轮系统的前10阶非零模态，如表1所示。图3中(a)-(j)所示分别为1～10阶非零模态的振型图。

表1 叶轮系统非刚体固有模态Table 1 Non-rigid model of the impeller system

3 结果分析

对比仿真模态分析的前10阶结果，可以清楚的看到，叶轮前2阶振型整体表现为沿轴向的前后摆动，后面8阶模态出现局部振型，这说明叶轮各部位刚度存在不均匀的现象，同时也为压缩机振动噪声分析提供理论基础。通过叶轮的模态振型分析可以确定叶轮结构振动形态及其找到应力集中区域，寻找到应力最大点，可以采取改变叶轮厚度，合理分配刚度，从而避免叶轮发生局部破坏。

子系统模态分析是转子系统的重要参数之一，所获得的固有频率能预测压缩机各部件之间相互干扰的可能性，通过合理的结构设计可以避开共振，这为压缩机叶轮的优化和改进设计提供了理论依据。本文中，叶轮在给定工况下的1、2、3倍频都很好地避开了其在预应力作用下的固有频率，故可初步判断，给定工况下叶轮的动特性表现良好，不会出现共振状况。