葉輪機(jī)
關(guān)注創(chuàng)建者：千克 創(chuàng)建時(shí)間：2017-03-18
葉輪機(jī)的視頻教程
NUMECA 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪設(shè)計(jì)分析演示
學(xué)習(xí)這個課程可以了解風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉輪流動仿真分析，可以了解怎么設(shè)計(jì)一臺風(fēng)力機(jī)葉輪。 老師介紹： 千克（KIGI）有超過10年的航空用燃?xì)鉁u輪機(jī)壓縮系統(tǒng)葉輪機(jī)設(shè)計(jì)和分析經(jīng)驗(yàn)。近年從事CFD軟件應(yīng)用教學(xué)，主旨是理論聯(lián)系實(shí)踐，實(shí)踐提升理論認(rèn)知。 ?
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NUMECA FINE/TURBO 一瞥
葉輪機(jī)在今日社會的應(yīng)用比較多，風(fēng)扇、通風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)機(jī)、油煙機(jī)、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、燃?xì)廨?em>機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)、推進(jìn)器、汽車增壓器等都屬于葉輪機(jī)。 NUMECA FINE TURBO軟件是葉輪機(jī)內(nèi)部流動數(shù)值仿真軟件。仿真計(jì)算速度和內(nèi)存需求比較小，計(jì)算精度多次獲得行業(yè)評測前列成績。 軟件分為數(shù)值仿真計(jì)算和葉輪設(shè)計(jì)優(yōu)化兩個部分。課程對這兩個部分的功能和界面進(jìn)行介紹和演示。
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葉輪機(jī)的實(shí)例教程
葉輪機(jī)振動模態(tài)分析理論及數(shù)值方法
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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(jī)組向高端化方向發(fā)展的過程中遇到的主要失效形式，作為離心壓縮機(jī)運(yùn)行核心部件的葉輪，運(yùn)行時(shí)常常受到離心力、壓力以及其它非穩(wěn)定形式流動激勵的綜合作用，發(fā)生劇烈振動，并產(chǎn)生相應(yīng)的噪聲，甚至?xí)鹌涔舱瘛嚎s機(jī)流量的增大使得流道的寬度增大，而現(xiàn)代過程工業(yè)普遍要求壓縮機(jī)具有寬的工況范圍，為此在壓縮機(jī)進(jìn)口廣泛的采用了可調(diào)導(dǎo)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(jī)葉輪斷裂的事故尤為突出[1-2] 。
如果在實(shí)際的工作中，葉輪長期處于比較嚴(yán)重的共振中，會很容易產(chǎn)生疲勞；因此，為了葉輪能夠長期的工作在非共振的環(huán)境下，保證葉輪的使用壽命和壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài), 日本三菱公司進(jìn)行了葉輪強(qiáng)度的研究，在測試和有限元分析的基礎(chǔ)上，改變葉輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化葉輪上振動應(yīng)力的分布[3] 。同時(shí)，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了葉片動應(yīng)力的評定準(zhǔn)則[4] 。在國內(nèi)，文獻(xiàn)[5]對葉輪的振動特性進(jìn)行研究分析,指出改變?nèi)~片數(shù)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(xiàn)象的發(fā)生。
用LMS模態(tài)測試軟件對離心壓縮機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，并將結(jié)果與ANSYS有限元軟件[6]計(jì)算結(jié)果相對比，驗(yàn)證ANSYS有限元軟件計(jì)算葉輪模態(tài)得出的結(jié)果是可信的。之后在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算分析三種方式，即改變?nèi)~片厚度、葉輪加筋和改變?nèi)~片數(shù)量，對葉輪振動特性的影響效果，為葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。
1 葉輪模態(tài)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(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)振動特性的一種常用技術(shù)，這些振動特性包括固有頻率和振型。
展開 陜西鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司，是中國設(shè)計(jì)制造以透平機(jī)械為核心的大型成套裝備的集團(tuán) 企業(yè)。承擔(dān)著軸流壓縮機(jī)、能量回收透平裝置（TRT）、離心壓縮機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī) 等五大類共 80 個系列近 2000 個品種規(guī)格的產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)。其中，主導(dǎo)產(chǎn)品軸流壓縮機(jī)和能 量回收透平裝置，均屬高效節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，在國內(nèi)市場上處于相對壟斷地位,。近年來主要 采用國外的商用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析，并與西安交大、西安理工大學(xué)等院校合作進(jìn) 行物理模型實(shí)驗(yàn)、分析及方案優(yōu)化。由于商用軟件源代碼不開放，無法有效的進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化 和創(chuàng)新，如果能擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的開發(fā)軟件將會在國際同行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。
2005 年 11 月鼓風(fēng)機(jī)廠提出進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)三維有限元分析與優(yōu)化，我們采用并行有 限元程序自動生成系統(tǒng) PFEPG 生成了三維計(jì)算程序，分別于 2005 年 12 月和 2006 年 9 月進(jìn) 行了葉輪結(jié)構(gòu)及體型分析和優(yōu)化。該項(xiàng)成果可用于指導(dǎo)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造。
葉輪機(jī)分析模型
葉片網(wǎng)格圖
總位移結(jié)果（單位：mm） 第一
主應(yīng)力云圖（單位：MPa） 第
三主應(yīng)力云圖（單位：MPa）
展開 計(jì)算收斂史默認(rèn)信息比較多，但是葉輪機(jī)性能參數(shù)中總壓比沒有發(fā)現(xiàn)，可能要自己定義或者在后處理中查看。
整個設(shè)置過程是面向計(jì)算域網(wǎng)格對象為主，控制參數(shù)、輸出參數(shù)在PRE中；而初場方式和并行方式主要在求解管理器中處理。
多湍流模型計(jì)算
多湍流模型計(jì)算雖然用得不多，但是初始標(biāo)定可能要用。設(shè)置中按照多工況計(jì)算設(shè)置處理的時(shí)候出了障礙：在界面中模型已經(jīng)變化了，但是計(jì)算檢查的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其實(shí)沒有變化。
通過新建工程或者輸入文件，可以直接打開原來的另存一下，在這個新輸入中處理湍流模型的變化。
由于湍流模型不同，邊界條件和其他設(shè)置會變化，所幸這些檢查是由軟件自己處理的，他會在信息窗口提示錯誤在哪里。所以按照這些提示直接修改后就可以了。
CFX中的湍流模型比較全面和多，設(shè)置方式也有他自己的特色。他主要是以計(jì)算域網(wǎng)格為對象的，所以湍流模型放在域的流體模型中了。這和NUMECA以計(jì)算流體力學(xué)中的概念為主要對象有所不同，熟悉后也可以很快適應(yīng)。
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展開 案例——離心壓氣機(jī)
離心式壓氣機(jī)有體積小、單級增壓比高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、船舶等領(lǐng)域的動力系統(tǒng)。葉輪是離心壓氣機(jī)的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機(jī)性能有著關(guān)鍵的影響。我們選擇了一款現(xiàn)有的離心壓氣機(jī)葉輪模型，采用CAESES軟件結(jié)合CFD仿真工具，對其氣動性能進(jìn)行優(yōu)化。該離心壓氣機(jī)主要性能參數(shù)及葉輪模型如下所示：
工作介質(zhì)
空氣
流量
0.8kg/s
轉(zhuǎn)速
100000r/min
該優(yōu)化案例的優(yōu)化目標(biāo)為在轉(zhuǎn)速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優(yōu)化流程
對離心壓氣機(jī)葉輪的性能進(jìn)行優(yōu)化，首先需要控制其模型進(jìn)行變化。CAESES提供了一個CAD環(huán)境，能夠高效的創(chuàng)建參數(shù)化模型并進(jìn)行變形控制，方便靈活的生成多個不同的幾何模型。基于CAESES輸出的模型，可以在CFD軟件中構(gòu)建自動化網(wǎng)格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進(jìn)行調(diào)用，提取仿真分析得到的性能結(jié)果。最后，設(shè)置CAESES里的優(yōu)化算法，根據(jù)仿真分析的結(jié)果調(diào)整葉輪模型參數(shù)，對葉輪性能進(jìn)行自動優(yōu)化。例如，CAESES結(jié)合CFX軟件進(jìn)行優(yōu)化的典型流程如下：
模型的創(chuàng)建及變形控制
首先在CAESES軟件中構(gòu)建全參數(shù)化葉輪模型，關(guān)鍵步驟如下：
1. 首先定義葉輪子午流道型線及前尾緣位置；
2. 流道可采用樣條曲線，直線+圓弧等多種形式，可按照不同需求定義流道型線參數(shù)（此處采用直線+圓弧形式）；
3. 之后可按照θ（包角）或β（切向角）分布曲線來生成葉片中弧線；
4. 沿葉片高度方向生成多條中弧線，即可組合生成葉片中弧面；
5. 基于中弧面給定葉片厚度分布曲線，即可生成葉片表面；
6.
展開 
葉輪機(jī)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
葉輪機(jī)的最新內(nèi)容
imageView2/0" alt="05.png"></p><p> · 重疊網(wǎng)格（Overset Mesh）：非常靈活的方法，特別適用于帶有復(fù)雜運(yùn)動的攪拌，如行星式攪拌機(jī)或葉輪有擺動的情況。運(yùn)動部件和靜止部件分別生成網(wǎng)格，通過插值交換信息。
在設(shè)計(jì)壓縮機(jī)葉輪時(shí)，還可以通過采用不同的方法（例如使用帶分流器的葉輪或修改幾何尺寸等）來增加阻流器質(zhì)量流量。圖 3 顯示了具有相同有效數(shù)的帶分流器和不帶分流器的葉輪的性能特性曲線 刀片。 如圖所示，與不帶分流器的葉輪相比，帶分流器的葉輪具有更高的阻流質(zhì)量流量。
因此，燃燒室流動模擬和葉輪機(jī)部件內(nèi)流存在非常明顯的差異，需要對氣動與燃燒耦合仿真模型進(jìn)行針對性研究，從而確保較高的仿真精度。重點(diǎn)需要突破復(fù)雜反應(yīng)流和葉輪機(jī)械高速內(nèi)流高精度仿真模擬技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)前模擬仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，對模型參數(shù)進(jìn)行考核驗(yàn)證和精度評判。
3.3 檢測要點(diǎn)
3.3.1 航空葉輪三坐標(biāo)測量機(jī)檢測要點(diǎn)
（1）測量方法。建立三坐標(biāo)測量機(jī)的測頭，運(yùn)用快速3-2-1 法建立坐標(biāo)系，為檢測工作有效開展奠定基礎(chǔ)。極坐標(biāo)測量法是基于定心圓半徑的測量，通過采取極坐標(biāo)測量法，就可以提高對測量對象尺寸的判斷能力，降低測量程序編寫難度。
因此，燃燒室流動模擬和葉輪機(jī)部件內(nèi)流存在非常明顯的差異，需要對氣動與燃燒耦合仿真模型進(jìn)行針對性研究，從而確保較高的仿真精度。重點(diǎn)需要突破復(fù)雜反應(yīng)流和葉輪機(jī)械高速內(nèi)流高精度仿真模擬技術(shù)，并結(jié)合當(dāng)前模擬仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，對模型參數(shù)進(jìn)行考核驗(yàn)證和精度評判。
增壓器轉(zhuǎn)子軸承箱里有兩個軸承支撐整個轉(zhuǎn)子，一個滑動軸承，一個推力軸承，推力軸承靠近壓氣機(jī)葉輪側(cè)，起到定位及支撐作用。
兩個軸承通過公用管線提供潤滑油。
該發(fā)動機(jī)只有一級離心式葉輪壓氣機(jī)，有兩級渦輪的輸出軸，功率達(dá)到了206千瓦(280軸馬力)，成為世界上第一臺實(shí)用的直升機(jī)渦輪軸發(fā)動機(jī)。首先裝用這種發(fā)動機(jī)的是美國貝爾直升機(jī)公司生產(chǎn)的Bell47(編號為XH-13F)，1954年該機(jī)首飛。到了50年代中期，渦輪軸發(fā)動機(jī)開始為直升機(jī)設(shè)計(jì)者所大量采用。
對 FBD 系列，額定功率 55kW 的礦用軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪的氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值分析，采用大渦模擬(LES)和 Fw—H 聲學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。得到FBD型礦用軸流式通風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域各噪聲計(jì)算點(diǎn)的頻譜圖。通過對比發(fā)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)一級葉輪的氣動噪聲主要由因葉片周期轉(zhuǎn)動引起的旋轉(zhuǎn)噪聲組成，在二級葉輪處由于紊流絮亂導(dǎo)致渦流噪聲明顯從而使得二級葉輪的氣動噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。
應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)的方法對離心通風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行三維的內(nèi)部流場數(shù)值模擬
