葉輪機的案例
葉輪機振動模態分析理論及數值方法
葉輪機振動模態分析理論及數值方法
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離心壓縮機葉輪振動特性仿真及試驗研究
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。
展開 鼓風機葉輪結構有限元分析
陜西鼓風機(集團)有限公司，是中國設計制造以透平機械為核心的大型成套裝備的集團 企業。承擔著軸流壓縮機、能量回收透平裝置（TRT）、離心壓縮機、離心鼓風機、通風機 等五大類共 80 個系列近 2000 個品種規格的產品生產任務。其中，主導產品軸流壓縮機和能 量回收透平裝置，均屬高效節能環保產品，在國內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行數值模擬計算與分析，并與西安交大、西安理工大學等院校合作進 行物理模型實驗、分析及方案優化。由于商用軟件源代碼不開放，無法有效的進行產品優化 和創新，如果能擁有自主知識產權的開發軟件將會在國際同行業中處于領先地位。
2005 年 11 月鼓風機廠提出進行風機葉輪結構三維有限元分析與優化，我們采用并行有 限元程序自動生成系統 PFEPG 生成了三維計算程序，分別于 2005 年 12 月和 2006 年 9 月進 行了葉輪結構及體型分析和優化。該項成果可用于指導風機設計和制造。
葉輪機分析模型
葉片網格圖
總位移結果（單位：mm） 第一
主應力云圖（單位：MPa） 第
三主應力云圖（單位：MPa）
展開 01葉輪機CFX學習筆記 計算設置
計算收斂史默認信息比較多，但是葉輪機性能參數中總壓比沒有發現，可能要自己定義或者在后處理中查看。
整個設置過程是面向計算域網格對象為主，控制參數、輸出參數在PRE中；而初場方式和并行方式主要在求解管理器中處理。
多湍流模型計算
多湍流模型計算雖然用得不多，但是初始標定可能要用。設置中按照多工況計算設置處理的時候出了障礙：在界面中模型已經變化了，但是計算檢查的時候發現其實沒有變化。
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，設置方式也有他自己的特色。他主要是以計算域網格為對象的，所以湍流模型放在域的流體模型中了。這和NUMECA以計算流體力學中的概念為主要對象有所不同，熟悉后也可以很快適應。
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展開 
CAESES離心壓氣機葉輪優化案例分享
案例——離心壓氣機
離心式壓氣機有體積小、單級增壓比高等特點，廣泛應用于航空、船舶等領域的動力系統。葉輪是離心壓氣機的核心部分，是主要做功部件，其模型的變化對壓氣機性能有著關鍵的影響。我們選擇了一款現有的離心壓氣機葉輪模型，采用CAESES軟件結合CFD仿真工具，對其氣動性能進行優化。該離心壓氣機主要性能參數及葉輪模型如下所示：
工作介質
空氣
流量
0.8kg/s
轉速
100000r/min
該優化案例的優化目標為在轉速和流量保持不變的情況下，盡可能地提高效率和壓比
優化流程
對離心壓氣機葉輪的性能進行優化，首先需要控制其模型進行變化。CAESES提供了一個CAD環境，能夠高效的創建參數化模型并進行變形控制，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軟件中構建自動化網格劃分及仿真分析流程，并通過CAESES軟件進行調用，提取仿真分析得到的性能結果。最后，設置CAESES里的優化算法，根據仿真分析的結果調整葉輪模型參數，對葉輪性能進行自動優化。例如，CAESES結合CFX軟件進行優化的典型流程如下：
模型的創建及變形控制
首先在CAESES軟件中構建全參數化葉輪模型，關鍵步驟如下：
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（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 FBD型礦用軸流式通風機葉輪氣動噪聲的數值分析
對 FBD 系列，額定功率 55kW 的礦用軸流式通風機葉輪的氣動噪聲進行數值分析，采用大渦模擬(LES)和 Fw—H 聲學模型進行數值計算。得到FBD型礦用軸流式通風機葉輪旋轉區域各噪聲計算點的頻譜圖。通過對比發現通風機一級葉輪的氣動噪聲主要由因葉片周期轉動引起的旋轉噪聲組成，在二級葉輪處由于紊流絮亂導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噪聲和渦流噪聲組成。在葉輪旋轉 區域從 葉輪的葉根到葉尖的過程 中，氣動噪聲先增大后減小。對一級葉輪而言，葉片前緣噪聲略大于后緣，而二級葉輪葉片的后緣噪聲略大于前緣 。
在礦山掘進工作中，井下作業 自然條件復雜 ，空氣中摻雜著有毒有害氣體和礦塵。所 以礦井巷道通風十分重要。而通風機的噪聲是掘進工作 中的主要噪聲源之一 ,其中氣動噪聲 占總噪聲的 45％ 。就礦用局部通風機而言 ，其進口和機殼周 圍的噪聲高達 120dB 以上，工人聽力受損程度嚴重。而且掩蔽井下安全警報信號，從而造成事故。所以對礦用軸流式通風機內部氣動噪聲分析顯得尤為重要。
目前，國內外對通風機氣動噪聲的研究大多集中于機殼和葉片結構 。尤其是對通風機葉片結構的研究認為旋轉槳葉的噪聲一般由葉片自身旋轉引起的離散噪聲即單極子聲源，剛和葉片表面紊流壓力脈動引起的頻率連續分布的寬頻噪聲即偶極子聲源組成，由于渦流脫落也會導致四極子聲源的產生 。通過仿生學直接改變葉片翼型的研究得出了不同翼型下的不同氣動特性，對通風機噪聲在巷道內的傳播規律做了研究，然而對通風機 內部氣動噪聲的產生及傳播規律的研究并不充分。隨著計算機技術的發展 ，數值模擬法得 到廣泛進行數值 模擬法大大減少了試驗時間和成本。利用 CFD 數值計算的方法分別對離心通 風機的噪聲和內部流域 進行了計算，并與實際試驗結果對比得到了較小的誤 差證明了數值汁算的可行性 。
展開 FC部件|基于 CFD 仿真的燃料電池離心空壓機葉輪的優化設計
空壓機為燃料電池系統提供壓縮空氣。常用的空壓機類型有滑片式、螺桿式、離心式、渦旋式和羅茨式等。其中離心空壓機具有結構緊湊、響應快、壽命長和效率高等特點,比較適合燃料電池。離心空壓機通過葉輪的高速旋轉對工質進行做功,持續輸出壓縮空氣,離心空壓機的性能主要由其中的葉輪決定。燃料電池空壓機葉輪與傳統車用渦輪增壓器葉輪的設計需求差別較大,傳統渦輪增壓器葉輪需要較寬的流量范圍;而燃料電池所需要的離心空壓機需要較高的壓比,不需要過寬的流量范圍。
1 葉輪的設計
1.1 設計方法
高性能葉輪的葉片是復雜的三維結構,在設計時不僅要考慮到氣動性能與結構強度,還要考慮加工工藝,以便于進行側銑加工,總體設計難度較大。葉輪設計基本有兩種方式:(1)根據設計目標全新設計;(2)對現有葉輪進行設計優化。
全新設計葉輪需要根據設計目標,首先從一維設計軟件中預測基本的幾何參數,再通過三維設計軟件對性能進行優化。全新設計葉輪需要很長的時間周期,而且設計難度較大。在工程開發上多采用第二種方式,即對現有葉輪重新設計并進行優化。
展開 WorkBench流體CFD簡易風力發電機葉輪仿真全過程
幾何模型
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WorkBench流體CFD簡易風力發電機葉輪仿真全過程.rar
ANSYS CFX 壓縮機仿真-離心壓縮機葉輪
本文利用CFX模擬離心壓縮機葉輪的氣動性能。
注：本文采用CFX 2019R2進行演示
1 幾何模型
幾何模型來自ANSYS-CFX的教程文檔。下圖是幾何模型的示意圖。這個葉輪有24個葉片，以22360rpm的轉速繞Z軸旋轉。
△ 幾何模型示意圖
2 BladeGen定義幾何
啟動Workbench 2019 R2，將BladeGen模塊拖入工程視圖，右擊
A2：Blade Design→Properties，在屬性面板中設置如下圖所示
△ 屬性設置
加載創建好的葉輪。
應用CFD數值模擬對離心通風機葉輪進行設計分析
由此可見，葉輪葉片進出口角度選定的好壞對葉輪氣動性能有著很大的影響。圖7葉片末端的氣流出口處速度矢量圖清晰可見有漩渦的干擾，通過對此處流場的分析，可以對葉片葉型進行改進，以減小漩渦擾動損失，提高葉輪效率，降低噪聲。
圖8為葉輪內部的靜壓分布，結合圖示可以對葉輪，葉片的結構強度進行分析，實踐可知，前彎葉片在葉輪后端最容易產生損壞及磨損，結合壓
力云圖，在設計葉輪時，可對此處進行合理加強或者耐磨處理。
4、
結論
應用計算流體動力學的方法對離心通風機葉輪進行三維的內部流場數值模擬，從流場圖來看，葉輪內部流動非常復雜。試驗結果與數值模擬結果的對比分析，驗證了數值模擬具有較好的準確性和可信度，從而在實際工程中，可用數值模擬來代替部分試驗，以達到縮短周期、節約開發成本的目的。
文章來源：聚英風機
展開 氣動仿真助推渦軸發動機型號研制全面加速
圖2 軸流-離心組合壓氣機氣動仿真
同時，基于非線性諧波法和全通道非定常RAN-S求解法的非定常仿真方法，是研究進氣畸變影響、葉輪機械端區流動、轉靜子干涉時序效應等復雜流動問題的有效工具，可在試驗前獲得葉輪機械內部流場的時域與頻域信息，從而指導試驗與測試方案，降低了型號研制對于試驗的依賴度和試驗需求，特別是減少了畸變試驗和喘振邊界摸底試驗等高風險試驗的次數，提升了試驗的成功率。
另外，基于RAN-S的流熱耦合仿真廣泛應用于渦輪葉片冷卻方案設計，并與葉片冷卻效果試驗相結合，解決小尺寸冷卻試驗測試布置困難、測量區域和精度有限的難題，獲得小尺寸葉片在真實環境下較為準確的溫度分布，確保渦輪設計與試驗的一次成功。
近年來，以離散大渦模擬（DES）和大渦模擬（LES）的仿真方法在低雷諾數渦輪葉片、高壓比單級壓氣機流場分析和端區復雜流動分析和損失控制中也得到了應用，解決小尺寸葉輪機流場測量困難的問題，在一定程度上可以替代葉柵試驗，優化葉輪機設計，提高葉輪機全包線性能。
在仿真工作的支持下，動研所目前已經具備壓比25∶1以上的組合壓氣機設計能力，以及單級膨脹比4.5∶1跨聲渦輪和進口總溫1900K量級、總效率92%的小尺寸冷卻渦輪設計能力，未來將繼續向負荷更大、效率更高、結構更緊湊的葉輪機械高精度性能仿真方向發展。
展開 
美國SoftInWay公司的AxSTREAM軟件
AxSTREAM是一款多學科葉輪機綜合設計、分析和優化多功能商業專業軟件，能夠設計和分析以及優化包括軸流壓氣機、離心壓氣機、軸流渦輪和向心渦輪
及風機、風扇等多種葉輪機械。AxSTREAM是目前世界上唯一集葉輪設計、分析和優化于一體的綜合設計工具包。AxSTREAM亦是集成度最高、功能最
全、速度最快的商業葉輪設計軟件
AxSTREAM是由葉輪機行業享有勝譽的美國SoftInWay公司研發的旗艦產品，是一款特別針對旋轉葉輪機械的快速優化設計與氣動分析軟件。 AxSTREAM主要著眼于工程實際應用。它嵌入了豐富的葉輪經驗數據，具有優異的工程應用界面，特有的快速設計和分析方法，獨有的DOE優化方法，良好
的設計精度，完善的輸入輸出接口等，以及多目標多參數多學科多因素綜合設計策略與方法等，在葉輪機械設計、性能分析和優化等方面，獨樹一幟，成為業內翹
楚，具有極高的工程應用價值。
AxSTREAM主要進行葉輪機械的一和二維的初始設計與氣動分析、優化，全三維葉片造型與三維CFD數值驗算、全三維FEA強度、振動校核等。它采
用了先進的項目數據庫管理模式，基于優秀的工程經驗損失模型，通過自動尋優算法進行優化設計與分析。AxSTREAM是一個不斷發展中的程序，從初始專注
于軸流旋轉機械的設計，發展到軸流/徑流/混流式設計，并加入三維有限元的強度分析和流動分析功能，并且綜合考慮冷卻、傳熱等多學科問題。目
前，AxSTREAM可以進行軸流渦輪、軸流壓氣機、向心渦輪、離心壓氣機、混流式渦輪和壓氣機的設計與氣動分析。應用范圍涵蓋汽輪機、燃氣輪機、航空發
動機、風機、渦輪增壓器和渦輪泵等多種葉輪機械。
SoftInWay 公司是一家美國公司，總部位于馬薩諸塞州的Burlington，是一家為全球國際用戶在能源動力設備研究、設計和數字建模等領域提供軟件產品和工程咨詢服務的高科技公司。
展開 單級渦輪轉子-CAESES仿真優化經驗分享
目前CFD仿真技術應用廣泛，在葉輪機設計領域更有多款單獨的仿真軟件。而因造型參數較多（單個葉片30個以上），渦輪葉片的優化工作還是較為耗時繁瑣，往往只有經驗豐富的工程師才能合理把握進度。
本次分享的輸入條件為單級渦輪葉片，針對轉子葉片進行參數優化仿真。整個優化仿真過程依賴于CAESES仿真優化軟件進行，主要分為CAESES參數化建模、制定仿真優化方案、CFX仿真及腳本錄制、軟件鏈接優化仿真四大步驟，希望本人的淺析能為大家在葉輪機葉片優化仿真方面帶來幫助。
一、CAESES參數化建模
本方案葉型采用基于Nurbs曲線的方法進行參數化造型，包含了前/尾緣圓弧、Nurbs曲線（5個控制點）、角度、位置等參數共21個（主要參數如圖2所示）。該造型方法具有光順連接、靈活多變、完全可調等特點，較為適合直拉式葉片的設計。
在CAESES建模過程中，采用“Feature”功能實現葉型參數化設計，基于“Curve Engine”進行參數控制，最終通過“Meta Surface”曲面造型功能實現基于參數曲線的三維葉片造型。參數曲線以及相應的三維葉片如圖3所示，此模型可通過參數曲線的調節控制模型的形狀變化。
二、仿真優化方案
由于三維葉片造型參數較多，本方案采用等截面葉柵的方式對葉片進行優化。仿真優化方案如圖4所示，在CAESES參數化模型進行上，在不同葉高位置截取葉型，由直拉的方式得到等截面葉柵（如圖5所示），通過等截面葉柵葉型氣動優化間接實現三維葉片的優化。
展開 Abaqus鼓風機葉輪模態(自由+重力+離心力)及諧響應分析
[圖片]
資深專家談CFD應用-CFD如何在葉輪機機械產品設計中發揮更大的價值
只要幾何造型滿足收斂條件，均可以得到你所構造出的三元葉片，程序自動生成流場分析所需的葉輪幾何數據，并且可以直觀地觀察到葉片的三維實體模型。圖2為使用NREC軟件成功設計的一個典型半開式葉輪，其給定的設計條件如下：
對于設計出的葉片，接下來可以進行性能預測。流場分析的計算結果受葉片節點矩陣均勻程度的影響，如果節點矩陣非均勻程度大，往往出現致命的錯誤信息，程序終止執行，得不到流場分析的結果。所以在進行流場分析的時候，S1流面的間距和S2流面的間距盡可能接近，意即形成一個均勻的空間流場網格單元。如果流場分析的結果不符合氣動參數分布準則，則是葉片設計不合理，必須重新進行葉片SPECIG的設計，直到BANIG計算結果合理，這樣在SPECIG和BANIG這兩個模塊間構成了一個設計循環。
而使用PREDIG模塊對設計出的葉輪做性能預測時，只需要給出葉輪的進出口邊界的幾何尺寸，進出口角，以及葉片的負載形式，并未考慮葉輪內流場分布的詳細情況，所以在做產品設計時，不能孤立地應用PREDIG和COMIG，要將兩者有效的結合起來，根據流場的實際分布結果調整損失系數和滑移系數。如果有的設計無法得到理想的流場分布結果，在做性能預測的時候，葉片負載損失系數應該相應的加大。否則，性能分析的結果將會有較大的偏差。PREDIG和COMIG這兩個程序由于能夠完成各種流動元件組合情況的壓縮機基本級的性能預測和設計，適用的范圍很寬，因此目前世界上很多壓縮機制造廠家均選用NREC的設計和加工程序，由于NREC公司有效地將當今壓縮機設計思想和計算機應用技術結合在一起，因而代表了當今世界透平壓縮機領域內的水準。
展開 