大型离心压缩机叶轮的可靠性稳健设计

发布时间：2020-03-29 18:32

【摘要】：叶轮是离心压缩机高速转子的核心部件,压缩机叶轮使气流加速、增压、升温,而本身则主要承受离心力、气动力、激振力、外物冲击等循环交变载荷与动载荷作用。它的结构、工作状态和工作环境十分复杂。在叶轮的高应力区,这些载荷与叶轮本身的焊接残余应力叠加作用,使叶轮容易产生应力集中过大,产生裂纹甚至发生破坏。叶轮的可靠性直接影响到整个压缩机组的正常运转,甚至影响到整个机组的安全。因此,研究和分析叶轮的可靠性能已经成为迫切需要的问题。本文在广泛吸收国内外机械强度设计以及可靠性稳健设计研究成果的基础上对大型离心压缩机叶轮在离心力作用下结构可靠性问题进行了大量的研究。研究工作主要分为两部分,第一部分对单独的叶轮进行强度分析,得到了离心力作用下叶轮的结构变形和应力分布状况,以及危险部位的应力值,以降低成本为原则,结合神经网络技术,对叶轮进行了可靠性设计；并结合神经网络技术以及可靠性灵敏度方法,对叶轮结构进行了可靠性稳健设计,使其在满足可靠度的前提下,对结构参数变化的灵敏度降到最低,从而提高了叶轮的稳健性；第二部分以非线性接触理论为基础,利用有限元法分析了叶轮部装结构在热装过程结束达到稳态后轮毂与轴接触处的内应力大小与接触情况。分别分析了套装结构静接触以及在离心力作用下的动接触两种工况,对过盈量按照离心力作用下全部接触为标准进行了设计,确保了叶轮与轴良好的装配状态。最后结合神经网络技术以及可靠性灵敏度方法,对叶轮套装结构进行了可靠性设计和可靠性稳健设计,并与前面单独对叶轮进行可靠性稳健设计的结果进行了对比。通过本文的研究,总结和摸索出了一套应用于大型离心压缩机叶轮的可靠性稳健设计方法,确保大型离心压缩机以一定的可靠度正常运行,并且结构中的随机参数的变化对可靠度的影响达到最低。该文分析得到的数据结果为离心叶轮的设计提供了重要的依据。
【图文】：

三维参数化,叶片形状,叶轮,模型

法完成了该叶片特征的创建工作。通过曲面的包络和剪裁，使得整个模型的继承性和可更新性大大增强，并且整个模型在建立后，由于结构突变而引起的小面和曲率突变问题得以解决。叶轮以及叶片的三维参数化模型，见图3.1。图3.1叶轮三维参数化模型与叶片形状 Fig.3.lParametriemodeloftheimPellerandshapeoftheblade3.3离心力作用下叶轮的应力分布及变形趋势叶轮离心力分析是转子系统设计过程中的必要工作步骤，通过分析一方面可以了解叶轮在惯性力作用下的变形趋势和应力分布状况，另一方面由分析得到的结果，也为后续的分析和再设计工作提供参考和比照对象，为检验非线性分析过程中是否会出现应力失真情况提供帮助。叶轮的离心力作用下的静强度分析产生的应力是本文研究的重点，应力值的大小能否满足设计要求决定了叶轮强度是否可靠，当应力值超过结构的屈服极限时，结构就会发生塑性变形，，有可能形成初始的裂纹，为系统安全运行埋下隐患，严重的会使叶片断裂，引发叶轮的不平衡性，从而使机组运转是发生很大的振动，振幅过大会在短时间内使机组失效。3.3.1叶轮整盘离心力分析(1)分析初始条件说明待分析叶轮为使用轴肩定位

有限元模型,叶轮,单元尺寸,切向

有限元分析中采用Patran单元库中的10结点四面体单元进行模型的有限元自由网格划分，单元尺寸按照叶轮外经的1，6%一2.5%来取，因此单元尺寸选择30mm，划分结果如图3.2所示，其中节点数为90077，为单元数48606。整个模型在圆柱坐标系下完成网格化分、分析计算以及读取结果。(3)边界条件加载为简化分析，这里将轴肩定位简化为对于定位处轴向位移的限制，同时由于叶轮在离心力分析时只是加的离心载荷，而不会真的产生转动，故在轴孔位置设置切向约束，使叶轮不能发生转动，边界条件加载如图3.3所示，叶轮的转速为n=4500rPm=75rad/s。Fig.3.2车由孔处切向约束车由肩轴向约束转速n二4J口O作刀”图3.2待分析几1‘轮的有限元模型 FilliteelementmeshmodelofimPellertobeanalyzed口口乓图3.3待分析叶轮的边界条州
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH452

【参考文献】