大型轴流压缩机静叶片选材方案的设计与计算

撒兴军 刘明霞 杨岐平*/西安陕鼓动力股份有限公司



大型轴流压缩机静叶片选材方案的设计与计算

撒兴军 刘明霞 杨岐平*/西安陕鼓动力股份有限公司

Abstract

对于静叶可调式大型轴流压缩机，静叶片既需要承受较大的气动力，又需要质量小便于调节，因此选取合适的材料进行研制开发是机组大型化设计需解决的关键技术之一。选取了不锈钢、铝合金和玻璃纤维增强环氧树脂复合材料三种材质进行对比分析，分别进行了静叶片的结构设计、刚度、强度、频率计算，并进行了综合对比。通过分析可知，选用玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，静叶片安全系数可达12.5，安全可靠性更高，并具有良好的性价比，这为玻璃纤维复合材料在大型轴流压缩机上的实际应用提供了设计依据。

静叶可调；轴流式压缩机；静叶片；玻璃纤维复合材料

0 引言

轴流式压缩机具有效率高、容量大和性能调节范围宽等特点［1-4］。伴随工业需求的不断提高，轴流式压缩机也逐渐朝着大型化、轻量化、高效化、高压比、低噪声化等方向发展［5-6］，其主要目标是提高压缩机的经济性、可靠性和实用性。为了改善变工况时压缩机的性能，大型轴流式压缩机通常设计成静叶可调的结构型式，通过调节压缩机的静叶角度改变压缩机的工作点，从而达到恒定风量控制风压的目的［7-9］。

静叶片设计是静叶可调式大型轴流式压缩机设计的关键技术之一。以往小型的风机静叶片尺寸较小，采用常规的不锈钢坯料精加工而成。随着机组的大型化，静叶片尺寸也随之增大。采用传统工艺制造不锈钢叶片，其质量大，静叶支撑轴承的可靠性和耐用性降低，因此必须对静叶片进行轻量化设计，包括材料设计、结构设计等，以满足安全可靠性的使用要求。本文拟采用铝合金、不锈钢和玻璃纤维复合材料三种材质进行对比分析，并分别进行结构设计、强度、刚度和频率计算。

1 设计要求

叶片设计重点考虑压缩机的运行条件，以某型号轴流压缩机为例作为静叶片设计输入条件，具体如下：压缩机设计转速范围70～887r/min，运行介质为空气，静叶弦长450mm，叶高1 000mm；叶片叶顶安装围带；叶片常用工作运行温度范围为20℃～110℃，按照API617标准，叶片使用寿命最低需保证40 000小时。

2 设计方法和过程

2.1 叶片的几何结构

静叶片各截面利用嵌入宏的EXCEL表格，将各截面翼型数据点坐标导入CATIA软件，得到叶片各截面轮廓线；依照各截面旋转中心坐标，将各截面轮廓线旋转一定的角度；采用多截面扫掠命令，依次选取旋转后的各截面轮廓线，即可生成叶片的曲面；依据生成的曲面造型，按照叶片结构设计进行叶片实体化处理，并结合组件的结构设计要求，叶片结构形式如图1所示。

图1　叶片组件几何结构

2.2 叶片的设计方案

静叶片三种方案的结构形式分别为：

设计方案一：采用铝合金的内部加筋结构，蒙皮厚度为7mm，内部为空心加筋结构。

设计方案二：采用不锈钢的内部加筋结构，蒙皮厚度为6mm，内部为空心加筋结构，其结构形式见图2所示。

设计方案三：采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料+泡沫芯材结构形式，蒙皮厚度为13mm，叶片型面内部填充泡沫夹芯。泡沫采用PMI泡沫材料，叶片蒙皮采用玻璃纤维环氧树脂复合材料。

图2　空心加筋结构形式图

2.3 边界条件及载荷

1）边界条件

依据叶片的约束条件，在叶片根部固定约束，如图3所示。

图3　边界约束条件图

2）载荷分析

等效气动载荷：静叶在运转过程中主要受气动力，在进行刚度和强度分析时，计算叶片在气动载荷工况下的变形和应力水平。将所受载荷按照合力、合力矩相等的等效原则换算为压强载荷施加到叶片的压力面上，其形式如图4所示。

图4　设计工况下气动载荷分布形式图

有限元建模和对计算结果的后处理使用MSC.Patran，分析计算使用MD.Nastran软件。该软件作为通用有限元分析软件，在航空航天、机械制造、汽车交通等领域得到了广泛应用；同时对工程复杂模型计算的稳定性好而且精度高，能保证计算结果的效率和可靠性。

3 计算结果及分析

3.1 刚度计算

叶片的质量和刚度特性及其沿展向的分布不仅影响机组系统的动力学特性，如叶片固有振动、振型及模态响应，还对叶片的静挠度也有影响［10］。在机组运行过程中叶片会产生变形，大型机组的变形量更大，在设计过程中尽量提高叶片刚度，减小叶片变形对机组气动性能的影响，是十分必要的。因此对静叶片在气动载荷作用下的刚度进行了分析。三种设计方案的静叶片在设计工况下的位移云图，如图5所示，位移单位为mm。

图5　三种设计方案静叶片在运行工况下的位移云图

由以上刚度计算结果可以看出，在设计工况下，不锈钢静叶片的刚度最好，其次为玻璃纤维复合材料叶片，铝合金静叶片的刚度稍差。不锈钢静叶片的最大位移约为铝合金叶片的80%，刚度约提高20%。

3.2 强度计算与校核

将三种材质静叶片进行强度校核，载荷为设计工况下气动载荷。叶片应力云图，如图6所示。

图6　设计工况下叶片应力云图

由以上强度计算分析结果可以看出，设计方案一：叶片最大应力为159MPa，安全系数：

设计方案二：叶片最大应力为77.5MPa，安全系数：

设计方案三：叶片的最大应力为20.8MPa，安全系数：

可见，三种设计方案的强度均满足设计要求，与不锈钢和铝合金叶片相比，玻璃纤维复合材料静叶片的安全可靠性更高，叶片所受最大应力仅为20.8MPa，其安全系数为12.5。

3.3 频率计算

分别对三种设计方案的前两阶振动特性进行了计算分析，结果如下。

设计方案一：静叶片振动特性的1阶模态振动型式为1阶舞振，固有频率为199Hz；2阶模态振动型式为1阶扭转，固有频率为300Hz。

设计方案二：静叶片振动特性的1阶模态振动型式为1阶舞振，固有频率为192Hz；2阶模态振动型式为1阶扭转，固有频率为291Hz。

设计方案三：静叶片振动特性的1阶模态振动型式为1阶舞振，固有频率为124Hz，如图7所示；2阶模态振动型式为1阶扭转，固有频率为188Hz。

图7　玻璃纤维复合材料静叶片的1阶模态图

铝合金叶片比不锈钢叶片的固有频率非常接近，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料叶片的固有频率约为铝合金的65%。计算结果为叶片的调频和振动特性的改善提供了依据。

3.4计算结果对比分析

由以上的分析结果可以得出如下列表，如表1所示。

表1　三种材质静叶片设计方案对比表

分析可知，无论对于刚度、强度、振动特性等指标，还是对于成型工艺及加工成本，方案三都具有较大的优势，综合性价比最高。依据对比结果，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料可以作为大型轴流式压缩机静叶片用材料。之前，玻璃纤维增强复合材料以其轻质、耐腐蚀和高拉伸模量一直是风力发电机叶片最常用的材料，是复合材料成功应用的大型构件用材［11-14］的典型。通过本文对比分析结果可知，对于高速旋转的静叶可调式轴流压缩机，复合材料作为新型材料有良好的适用性。特别是随着机组大型化的发展，与传统金属材料相比，其应用具有更明显的优势［15］。

4 结论

本文以某大型轴流压缩机组为例，探讨分析了静叶片设计不同的选材方案及其可行性。通过分析、对比发现，与传统的铝合金、不锈钢类金属材料相比，采用合理的结构设计，玻璃纤维增强环氧树脂复合材料具有更高的安全可靠性，同时性价比更优。这为复合材料在大型轴流压缩机上的应用提供了设计依据，特别对于静叶可调式轴流压缩机的大型化发展具有积极的意义。

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Design and Calculation of Material selection Schemes for Stator Blade of Large-sca le Axia lCom pressor

Sa Xing-jun，Liu Ming-xia，Yang Qi-ping Wang Dong，Ju Fang-ling，He Li，Wang Yi-tian/Xi’an Shaangu Power Corporation Limited

For the large and variable stator typed axial compressor，the stator blades need towithstand greater aerodynamic load and become lighter in order to adjust compressor performance easily during operation.Therefore the material-selection and structural design of adjustable stator blades is one of the key technologies to be solved in the design large-scale compressors.Three different kinds of materials have been selected and analyzed，including stainless steel，aluminum and glass fiber reinforced epoxy composites. The calculation results of structure design，the stiffness，strength and nature frequency of the stator blades is also presented and compared.Results shown that the glass fiber reinforced epoxy composite has a higher reliability and is more cost-effective，as the safety factor of stator blade is up to 12.5.This result also provides a basis for the further applications of the glass fiber composite in the large-scale axial compressors.

static blade adjustable；axial compressor；stator blades；glass fiber reinforced epoxy composite

TH453；TK05

A

1006-8155（2016）01-0061-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0074

*本文其他作者：王冬 巨芳玲 贺立 王仪田/西安陕鼓动力股份有限公司2015-10-26 陕西 西安 710611