基于有限元的转炉煤气风机叶轮静动态特性分析

杨金堂，曾 璐，肖 潇，全芳成，2

（1.武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，43008l；2.武汉钢铁股份有限公司设备管理部，湖北 武汉，430083）

转炉煤气风机是转炉煤气净化回收系统的主要设备，也是其中重要的动力装置，保证风机的安全运行是保证转炉煤气回收系统安全生产的一个重要因素［1－2］。叶轮裂纹是影响风机安全运行的一大隐患［3］，对裂纹产生的原因进行分析显得尤为重要。为此，本文针对某炼钢厂转炉煤气风机转子轮盘在运行中出现多处裂纹的现场状况，采用ANSYS Workbench有限元软件，对煤气风机进行静态特性模拟及模态分析，对其进行强度校核，查找裂纹产生的原因并提出解决方案。

1 叶轮裂纹形式

该厂煤气风机转子前盘口有5条裂纹，4条接近端面边缘，1条靠近轴心且在原盘面拼接的焊缝上（经打磨后发现的），裂纹的走向是沿着叶片与盘面的焊缝的方向；后盘有1条裂纹，也是靠近端面边缘，与焊缝方向平行；而叶片上没有出现裂纹，裂纹集中在轮盘上，故本文只对叶轮部分进行分析。转子上部分裂纹的分布如图1所示。

图1 风机转子裂纹分布图Fig.1 Crack distribution of the fan rotor

2 叶轮的基本参数

转炉煤气风机属于双吸式离心风机，采用双支撑结构，比单侧离心风机更安全稳定。气体从叶轮两侧流入双吸式叶轮，两侧的轴承负荷相同，基本上可以消除叶轮上的轴向力［4］。叶轮材料为高强度焊接结构钢HG785，可焊性良好，屈服强度σ为685MPa，抗拉强度为785MPa［5］。

叶轮是离心风机的主要结构之一，由叶片、轮盘、轴等零件组成，轮盘包括前盘、中盘和后盘。叶片与轮盘的联接采用焊接，焊接处也是裂纹容易产生的部位之一，中盘与轴是通过螺栓连接的。叶轮的主要几何参数如表1所示。

表1 叶轮的主要几何参数Table1 Main geometric parameters of the fan impeller

3 叶轮静动态分析

3.1 叶轮计算模型与网格划分

采用ANSYS Workbench对风机叶轮进行静态特性模拟和模态分析。首先采用Pro／E建立风机的三维模型，如图2所示，然后将三维模型以igs格式导入ANSYS中进行网格划分，单元边长取50mm，共划分101652个网格，如图3所示。

3.2 约束与载荷

该离心式风机叶轮是双吸双支撑结构，故不考虑轮盘与相接触的轴之间轴向作用力的问题，采取约束叶轮中盘与主轴配合的面，对面施加周向及轴向约束［6］。

图2 风机叶轮三维模型Fig.2 3Dmodel of the fan impeller

图3 风机叶轮有限元模型Fig.3 Finite element model of the fan impeller

叶轮在旋转时，受到离心力、气动力和重力3种载荷［7］，由于叶轮离心力远大于后两种载荷的作用，故本研究中对气动力和重力忽略不计，对轮盘施加的载荷为绕轴旋转的叶轮离心力。

3.3 结果与分析

3.3.1 叶轮静态特性分析

叶轮的径向和轴向方向变形图如图4所示。由图4中可见，叶轮大变形区域在前盘与叶片边缘相接出口处的位置，与裂纹产生位置相符；最大变形量为3.23mm，在HG785钢容许的变形范围内，即刚度满足要求。

图4 叶轮变形图Fig.4 Deformation map of the impeller

仅考虑离心力的情况下，叶轮变截面突变处的等效应力云图如图5所示。由图5中可见，叶轮离心应力最大值σmax为428.05MPa，小范围分布在叶片与中盘联接处，靠近圆盘中心的位置，该处安全系数s＝［σ］／σmax＝685／428.05＝1.6。一般来说，工程中通常要求材料安全系数为1.5及以上，可见叶轮的强度满足要求。

图5 叶轮等效应力云图Fig.5 Von Mises stress nephogram of the impeller

3.3.2 叶轮动态特性分析

模态分析得到叶轮的固有频率和振型，为了避免叶片振动剧烈引起疲劳损伤，必须使叶轮工作转速远离产生共振的转速。当叶轮结构发生故障时，根据风机模态频率的变化趋势来判断裂纹的出现，根据振型的分析判断裂纹的分布位置。风机主要在低频段产生振动，因此在对离心风机进行模态分析的过程中，最关心的是转子的低阶频率［8］。轮盘的前六阶模态振型如图6所示，对应的固有频率如表2所示。

由图6中可以看出，叶轮的一阶、二阶振型皆为一节径、切向弯曲振动，最大变形位于叶片尾缘与轮盖联接处附近，一阶与二阶振型方向互相垂直；三阶振型为零节径、环形振动，最大变形位于前后轮盘边缘，呈锯齿形；四阶振型为零节径、环

图6 轮盘前6阶振型Fig.6 First six modes of vibration of the impeller

表2 前6阶振型固有频率及振动特性Table2 Inherent frequencies and vibration characteristics in first six modes of vibration

形振动，最大变形位于前后轮盘边缘。前四阶振型变形量均呈向着轮盘中心的方向逐渐减小的趋势。

由图6中还可见，五阶、六阶振型为二节径、环形振动，最大变形位于前后轮盘边缘，变形量虽然有着向轮盘中心的方向依次变小的趋势，但节径处变形量最小。

风机叶轮转速为1489r／min，计算得到叶轮的激振频率fg＝30.82Hz。工程上叶轮的固有频率须避开fg±15%的范围才能避免引起共振［9］。由表2可知，叶轮的一、二、四、五、六阶固有频率均远离激振频率，满足要求，而第三阶固有频率为27.25Hz，不满足要求，表明该叶轮裂纹的产生是由叶轮在固有转速下的共振造成的。

3.4 解决方案

为了避免由于叶轮共振产生的裂纹，转子固有频率必须远离其共振频率。本研究通过改变转子部分的厚度来提高其固有频率，这有利于减小风机的振动。

原风机轮盘面已有加强圈，在叶片焊缝处焊接质量达到生产指标的前提下，将转子前盘加厚2mm。对加厚后轮盘进行模态分析，得到其前六阶模态振型固有频率如表3所示。由表3中可见，加厚后叶轮的三阶频率为24.2Hz，避开了30.82±15%Hz的共振频率范围。改造后的设备现场运行情况良好，轮盘面未产生裂纹，表明该方案具有可行性。

表3 前盘加厚后风机前6阶振型固有频率（单位：Hz）Table3 Inherent frequencies of first six modes of vibration for the fan with thickened front disc

4 结语

本文对某厂转炉煤气风机发生裂纹故障的叶轮部位采用有限元法分析方法进行静态分析，结果表明该叶轮强度满足要求，而通过模态分析发现叶轮在固有转速下产生共振才是叶轮裂纹产生的原因。提出增加叶轮前盘厚度的解决方案，经现场使用表明，该方案有效避免了风机叶轮裂纹的产生。

［1］王爱华，蔡九菊，郦秀萍，等.转炉煤气回收分析及其提高措施［J］.钢铁，2006，41（5）：81－84.

［2］黄异，张毅，王涤非，等.转炉煤气风机叶轮故障诊断及处理措施［J］.冶金动力，2006（2）：33－34.

［3］刘晓波，王依，林家国.基于有限元法的风机叶片裂纹分析及处理［J］.机械设计与制造，2007（3）：98－100.

［4］张永海，肖俊峰，邓清华.大型离心鼓风机叶轮强度分析与结构改进［J］.风机技术，2012（3）：31－33.

［5］秦书勤，李鹏义，王国科，等.高强度钢 HG785D焊接性能研究［J］.航天制造技术，2010（4）：41－44.

［6］杨晔晖.离心鼓风机开式叶轮的强度分析与改造［J］.风机技术，2008（5）：36－39.

［7］Arewar A P，Bhope D V.Stress analysis of axial flow fan impeller［J］.International Journal of Engi－neering Research and Applications，2013，3（1）：2086－2090.

［8］关振群，宋洋，杨树华，等.离心压缩机叶轮静强度分析方法［J］.大连理工大学学报，2011，51（2）：157－162.

［9］秦海松.离心风机的参数化建模及设计分析［D］.武汉：华中科技大学，2009.