高压比叶轮在单级高速离心鼓风机上的应用分析

代彬

摘 要：对COK40080叶轮模化计算分析，明确了叶轮在压比超过3.0，马赫数超过1.4时的应用具有安全可靠的性能，提出了高压比叶轮离心鼓风机的市场优势，实现了高压比叶轮在单级高速离心鼓风机上的应用。

关键词：离心鼓风机;超高压比;建模分析

1 绪论

离心鼓风机是许多工业企业生产的核心设备。近年来，随着国内外工业的发展和生产工艺的进步，传统工业的生产工艺进行了升级和优化。比如冶金，制药，化工污水，硫磺回收及丙烯酸等领域对鼓风机性能的要求不断提高。长期以来，压比在3.0-3.5左右的情况下，国内风机厂商均提供的D型多级离心鼓风机或两级组装式压缩机。这两种形式的风机相对于单级高速离心鼓风机而言，体积大，价格高，效率低。因此，利用高压比叶轮实现压比超过3.0，马赫数超过1.4制造单级高速离心鼓风机成为近年来风机行业努力攻克的课题。

在低压比的离心叶轮内，其相对马赫数是亚音速或高亚音速，离心鼓风机工作范围宽，而对于高压比叶轮，其入口马赫数为超音速，在给定的转速条件下，可工作的范围很窄，喘振流量和阻塞流量范围相当有限。由于激波与边界层的相互作用诱导边界层分离，激波与间隙涡的相互作用导致涡核破裂，将使鼓风机的性能恶化，流动的物性比低压比叶轮流道复杂的多。[1]同时，由于高压比叶轮线速度高，对叶轮的材料的强度和变形量也有更高的要求。因此，在實际应用高压比叶轮前，要对该叶轮进行建模有限元分析和转子稳定性分析。

2 分析对象

本文以某化工厂污水项目所用的高压比三元半开式叶轮（COK40080）为研究对象。其几何尺寸及性能参数如下：

COK40080 叶轮外径Φ320mm，叶片数15片，模型级流量系数0.086，最高马赫数1.43。叶轮材料为FV520B-1，弹性模量200GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3，屈服极限1029MPa。介质为空气，风机流量：165Nm3/min，工作温度25℃，入口压力99kpaA，出口压力300kpaA，工作转速 27813 r/min。

3 分析方法

本文选用的叶轮用UG软件进行建模设计，运用ANSYS软件做合理的有限元离散并建立有限元计算模型。[2]分析其材料的强度和变形;再通过RBSP软件进行转子稳定性分析，保证符合JB/T7258标准的相关规定。

4 分析结果的确认

4.1 强度分析

在工作转速下 COK40080 叶轮的强度分析结果如下图所示，其最大等效应力值为775MPa，小于材料屈服极限，叶轮强度满足设计要求。

COK40080 叶轮工作转速下应力云图

4.2 COK40080 叶轮在工作转速下变形分析结果

4.2.1 叶轮的径向轴向变形

鼓风机的气动性对叶轮的型环间隙的要求非常高，介质经叶轮做功后压力和温度都得到了提高，如果型环间隙值过大，介质将会大量的从叶轮出口高压高温区域倒流回入口低压低温区域，使入口温度升高，造成的内泄露损失既降低了气动性能效率，又使得出口压力不足，甚至引发连锁停机;如果型环间隙过小，叶轮运转产生的弹性形变会刮碰到蜗壳内的部件，及可能破坏流道及转子系统，严重时将产生安全事故。

离心鼓风机叶轮与型环径向间隙设计值为0.45-0.55mm;轴向间隙设计值为0.85-0.95mm（最小值）;在实际工作转速下，叶轮的进口径向变形值为0.022mm;出口轴向变形值为0.578mm。均小于设计值。

4.2.2 叶轮轴孔变形

叶轮装配时，随着叶轮高速旋转，装配过赢量过小，叶轮轴孔尾端高温变形时会产生间隙，引发叶轮振动;装配过赢量过大，不便于叶轮的拆装。按照鼓风机设计标准，离心鼓风机叶轮与轴装配的过盈量设计为2.5‰，经有限元分析，该叶轮的轴孔径向尾端变形值为 0.0479mm（半径值），叶轮尾端轴径设计值为50mm，根据过盈量的计算公式：过盈量=直径的变形量最小轴径，计算出实际过盈量为1.92‰，小于设计值。

因此叶轮在高速旋转时主要部位的变形量满足设计要求。

4.3 转子稳定性分析

4.4 气动计算的结果确认

通过气动计算，风机气动功率为520kW，出口温度167℃，多变效率83%。压比3.04，出口压力满足工况要求。

5 高压比叶轮的优势

（1）压比3.0以上时采用整体撬装单级高速离心鼓风机，具有生产成本低，占地面积小，结构紧凑，安装成本少等优势。

（2）提高了整机效率，比传统D型多级鼓风机或两级组装压缩机效率提高10%左右，高效节能。

6 结论

本文通过对COK40080叶轮在实际生产中的计算分析，明确了该叶轮在压比超过3.0时的应用具有安全可靠的性能，实现了高压比叶轮在单级高速离心鼓风机上的应用。为日益升级的工业生产提供了一种效率更高，造价更低，结构更紧凑，性能更可靠的单级高速离心鼓风机设备。

参考文献：

[1]康顺，刘强，祁明旭.工程热物理学报[M].2005，26（3）.

[2]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.