本文主要研究葉輪振動特性的敏感參數，從而提出解決葉片疲勞斷裂問題的措施。首先運用模態試驗方法對某離心葉輪進行模態分析，得到其前四階振型。在此基礎上，借助有限元分析軟件對其進行模態分析計算，并將其結果同試驗結果對比，對數值模擬計算結果的準確性進行驗證。最后，分析葉片厚度、葉輪加筋和改變葉片數量對葉輪模態頻率的影響，結果表明三個參數對葉輪模態都有一定的影響。此研究可為葉輪的合理設計提供依據。
關鍵詞：離心壓縮機；葉輪；模態試驗；ANSYS；LMS；NREC
中圖分類號：TH452 文獻標志碼：B
Development of Parameterized Design Programme for Centrifugal Compressor T Type Impeller
Abstract: Based on the method of establishing impeller model by CAD software, the discussion about new modeling method is carried out in this paper. It has realized the parameterized design functions of three types of models which are flow channel meridian plotted type, flow channel meridian input type and flow channel meridian mixed type. Through parameterized drive, it can realize the rapid design and improve of T series impellers. The impeller mechanical properties analysis module is integrated in the programme. Also, it can realize the parameterized control for the analyzing contents. It has rapidly obtained the mechanical properties of parameterized model and greatly improved the design efficiency.
Key words: centrifugal compressor; impeller; parameterized design; innovation method 0 引言
葉輪疲勞斷裂是近年來離心壓縮機組向高端化方向發展的過程中遇到的主要失效形式，作為離心壓縮機運行核心部件的葉輪，運行時常常受到離心力、壓力以及其它非穩定形式流動激勵的綜合作用，發生劇烈振動，并產生相應的噪聲，甚至會引起其共振。壓縮機流量的增大使得流道的寬度增大，而現代過程工業普遍要求壓縮機具有寬的工況范圍，為此在壓縮機進口廣泛的采用了可調導葉，使得流體的激振力增大。這些因素共同作用使得近年來壓縮機葉輪斷裂的事故尤為突出[1-2] 。
如果在實際的工作中，葉輪長期處于比較嚴重的共振中，會很容易產生疲勞；因此，為了葉輪能夠長期的工作在非共振的環境下，保證葉輪的使用壽命和壓縮機的運行狀態, 日本三菱公司進行了葉輪強度的研究，在測試和有限元分析的基礎上，改變葉輪結構優化葉輪上振動應力的分布[3] 。同時，在試驗基礎上，提出了葉片動應力的評定準則[4] 。在國內，文獻[5]對葉輪的振動特性進行研究分析,指出改變葉片數量可以有效地使葉輪固有頻率和激振頻率避開，避免共振現象的發生。
用LMS模態測試軟件對離心壓縮機葉輪結構進行了模態分析，并將結果與ANSYS有限元軟件[6]計算結果相對比，驗證ANSYS有限元軟件計算葉輪模態得出的結果是可信的。之后在此基礎上，運用ANSYS有限元分析軟件計算分析三種方式，即改變葉片厚度、葉輪加筋和改變葉片數量，對葉輪振動特性的影響效果，為葉輪的優化設計提供參考依據。
1 葉輪模態分析
1.1 葉輪失效形式及解決方案概述
葉片斷裂失效形式如圖1所示[1-2] 。模態分析是用來確定結構振動特性的一種常用技術，這些振動特性包括固有頻率和振型。通過模態分析，可以得到葉輪的固有頻率和振型，經過設計優化，避免了葉輪的固有頻率和激振力頻率相同或相近，從而避免共振現象的發生，保證離心壓縮機的正常運行，提高葉輪的使用壽命。 |
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避免共振的第一步是要在設計階段準確的知道葉輪的固有頻率和振型，根據振型和激振力的形式對葉輪的振動特性進行優化。模態分析技術是用于對工程結構系統進行動力學分析的現代化方法和手段，可分為解析的和試驗的兩個方面，即：有限元分析和試驗模態分析。本文用ANSYS有限元軟件對葉輪模態進行數值計算，用LMS模態分析系統對葉輪進行模態試驗分析。
1.2 葉輪模態試驗
1.2.1 試驗儀器設備
本試驗采用比利時LMS公司的SCR05-08動態數據采集系統及Lms Test.lab模態分析軟件[7] ，選用美國PCB公司力錘和加速度傳感器，其靈敏度分別為2.25mV/N和100mV/g，試驗原理框圖見圖2。 |
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1.2.2 試驗方法及過程
離心壓縮機的葉輪由輪盤、輪蓋和葉片等零件組成。本文選取某型離心壓縮機葉輪進行模態分析研究，該葉輪外徑400mm，內徑96mm，由10組長短葉片組成。采用軟繩將離心壓縮機葉輪懸掛后進行錘擊模態試驗，這樣可避免環境振動和支撐剛度對測試的影響，見圖3。 |
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用Lms Test.lab軟件中Impact錘擊模態測試模塊進行試驗, 采用移動力錘法，在Geometry中建立簡單模型，見圖4。 |
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1.2.3 試驗數據分析
離心壓縮機葉輪是一個復雜的結構，為了提高試驗結果的精度，選用PloyMAX模塊對LMS試驗測試數據進行分析。PloyMAX是一種非迭代頻域參數估計算法，也可稱為多參照最小二乘復頻域算法，可以很穩定地產生系統的極點和參與因子，從而更容易精確的生成穩態圖，進行模態識別。葉輪頻率響應函數曲線見圖5。 |
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葉輪固有頻率見表1。 |
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離心壓縮機葉輪前四階模態陣型見圖6。 |
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1.3 葉輪模態數值仿真
1.3.1 模型建立
運用葉片造型軟件NREC進行建模并進行網格劃分，然后導入到ANSYS進行數值計算，采用無約束載荷，模型及其網格劃分見圖7。葉輪材料參數設置為：彈性模量2.0×105MPa，泊松比為0.3，材料密度為7 800kg/m3 。本文選擇的單元類型是SOLID185，為提高計算精度，采用六面體單元對葉輪進行網格劃分，劃分的最終結果是共有110 580個節點，87 300個單元。
1.3.2 約束及加載
固有頻率和固有振型是由結構的幾何形狀、材料特性以及約束載荷形式決定的。本文對離心壓縮機葉輪采用自由模態分析，即無約束，無加載。在自由模態分析中，對于所選取的實體單元有六個剛體自由度，即六階剛體模態，其固有頻率為零；因此，模態分析求解的葉輪前六階固有頻率為零，第七階為真正意義上的第一階固有頻率。 |
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1.3.3 結果分析
對離心壓縮機葉輪模態模擬計算結果進行分析，得出離心壓縮機葉輪前四階模態陣型，見圖8。從振型圖看出，由于決定各階固有頻率的葉輪部位不同，所以葉輪振型不再遵循一階（單節點）和二階（雙節點）的規律。
1.4 分析對比
將ANSYS計算的葉輪前四階模態和LMS試驗測試結果相對比，見表1，可以發現兩者存在著一定的偏差。這是由于試驗條件限制和計算過程中不可避免的誤差等原因引起的。但是兩者的絕對偏差都在6%以內，屬于可接受范圍[8-9] ，而且葉輪的固有頻率變化趨勢和模態陣型一致，所以我們可以認為用ANSYS有限元軟件計算葉輪模態得出的結果是可信的。
2 優化設計與分析
本文提出了三種葉輪優化方式，即改變葉片厚度、葉輪加筋和改變葉片數量，用來改變葉輪的固有頻率，使其錯開作用在葉輪上的激振力頻率。因為上文用LMS試驗方法驗證了ANSYS數值模擬分析的可信性，所以我們用ANSYS有限元軟件對這三種葉輪優化方式的結果進行分析，研究這三種優化方式對葉輪振動特性的影響程度和效果。
2.1 改變葉片厚度對葉輪振動特性的影響
葉片厚度是影響葉輪振動特性的主要參數之一，為了研究葉片厚度對葉輪振動特性的影響，在其他參數不變的條件下，葉片厚度設置為5mm、6mm和7mm進行模態分析對比。表2給出了三種葉片厚度葉輪的模態頻率。 |
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2.2 葉輪加筋對葉輪振動特性的影響
葉輪加筋可以較大的改變葉輪的質量和剛度，會對葉輪的模態頻率造成比較大的影響，為了確定加筋的影響效果和程度，對葉輪進行加筋，見圖9。 |
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在其他條件不變的情況下，分別用ANSYS有限元軟件，對不加筋和加筋葉輪分別進行模態分析，結果見表3。 |
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2.3 改變葉片數量對葉輪振動特性的影響
為了研究不同葉片數量對葉輪振動特性優化的影響程度和效果，在保證其他參數不變基礎上，分別對采用9組、10組和11組長短葉片的葉輪進行模態數值模擬分析，計算出其模態頻率見表4。 |
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3 結論
1） 將葉輪的LMS試驗模態分析結果與ANSYS有限元分析結果相對比，發現有一定的偏差，但模態頻率變化趨勢和模態陣型相一致，偏差在允許的范圍內，所以認為ANSYS有限元模態分析的結果是可信的。
2） 根據ANSYS模態分析結果，在其他參數都不變的條件下，隨著葉片厚度增大，葉輪相對應的模態頻率升高；為葉輪加筋，會引起葉輪模態頻率改變；隨著葉片數量增加，葉輪的模態頻率也會升高。 3） 這三種優化方式對葉輪振動特性都有一定的影響，但是在不影響流道的基礎上，加筋最佳。 |
