基于Solidworks软件的闭式叶轮强度分析

    0 引言

    离心压缩机广泛应用于石油、化工和冶金等领域。旋转叶轮是离心压缩机的核心部件，其机械结构与气动性能对压缩机稳定运行起到决定性作用。另外压缩工质所获取的全部能量通过叶轮高速旋转进行转化，叶轮不但受到离心惯性力作用，而且受到气动力产生的压力载荷、热应力作用，同时还可能受到流场激振力产生的交变载荷作用，因此叶轮的强度需要在设计阶段就进行细致分析。

    有限元方法运用离散的概念，把整个求解域离散成为有限个分段连续的单元，在每个单元内应用变分原理，将描述原问题的微分方程组转化为代数方程组，联立求得原问题的数值解。随着单元数目的增加，或者插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。对于旋转叶轮的强度，早在上世纪70~80 年代就有针对单个叶片结构的分析。由于离心叶轮结构和模型相对固定，现在已经有商用软件对强度和变形进行限元分析，如ANSYS、ABAQUS、NX、 等等。早在1970 年的Barten到近几年的张小龙等、Grigoriev等人都曾使用限元方法对离心叶轮进行分析，研究角度也从结构的可靠性验证发展到振动、噪声等领域。相对而言， 经过叶轮实体建模后可以自动生成网格和控制局部加密，快速得到叶轮强度和变形的计算结果，更适用于工程实际的应用。另外，根据von Mises屈服准则，可以采用von Mises 等效应力来衡量应力水平，这进一步简化了计算分析过程。

    本文采用 软件进行叶轮von Mises 等效应力分析，由于叶轮流道内部参数决定气动性能，为了改善叶轮等效应力分布，只能对其外形进行修改。因此，本文重点分析了叶顶、叶根倒圆、轮盖和轮盘的型线及其厚度对于最大von Mises 应力的影响，尤其是说明了此类叶轮轮盘结构的改进方向，尽量使其满足强度设计要求。

    1 离心叶轮建模

    1.1 叶轮模型

    根据某公司多级离心压缩机产品中某级闭式叶轮作为研究对象，叶轮结构参数如表1所示。从表1 数据可见，叶轮盘盖采用等厚分布形式，厚度相对于叶轮直径不到1%。采用 软件进行叶轮建模与网格划分，如图1所示。由于叶轮盘盖为薄壁结构，在整个叶轮尺寸最小的轮盘以及轮盖边缘最少设置一个单元格，同时根据叶片根部、顶部厚度以及其周向长度调整参数进行局部加密且均匀分布。图1为不同网格数下，叶轮上叶片顶部von Mises 等效应力最大值的变化。以该参数为确定整个叶轮上网格数的基准，随着网格数的增加，叶顶应力最大值逐渐增加，当网格单元数大于8万时，该参数逐渐趋于稳定。本文进行网格划分时，考虑到计算时间和计算精度需要，叶轮以及叶片加密部位网格 采用的四面体结构，共生成134183个网格单元、236523个节点。