基于ANSYS对离心风机叶轮弯曲变形分析与研究

孙晓明

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。

关键词：离心风机叶轮;刚度;强度;有限元

中图分类号：TM36+1       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）09-0013-03

Abstract： Based on the finite element theory， the mathematical calculation model of centrifugal fan impeller structure is established using SolidWorks software. Using finite element method and ANSYS software， the causes of frequent failure of impeller at this working speed are compared and analyzed in detail， and the stress and deformation of impeller at this working speed are obtained. On this basis， the measures to increase the stiffness and strength of the impeller are put forward， including changing the form of the blade， increasing the thickness of the blade and replacing the blade material under the conditions permitted by the power of the motor， and effectively improving the safety factor of the impeller. It provides a theoretical basis for the design of the breakthrough of the critical machine number of the fan.

Keywords： centrifugal fan impeller; stiffness; strength; finite element method

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。

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：

2 叶轮强度及变形计算

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。

（1）材料属性的定义按2205不锈钢。

（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。

（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。

3 改进措施

（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）葉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

（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对比如图7及图8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%。

4 结论

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%。

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