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K4250离心叶轮裂纹分析与改进设计

李春满 乔社宁 王三俊/西安陕鼓动力股份有限公司    

摘要:利用有限元软件对出现裂纹的叶轮做了强度计算和模态计算,指出了该叶轮存在与叶轮转速2倍频耦合的模态。在此基础上对叶轮结构进行了改进,避开了耦合模态,运行结果表明改进效果显著。
关键词:有限元分析;叶轮;模态;改进
中图分类号:TH452  文献标志码:A
Study on the Reason of an Impeller Crackle in the K4250 Centrifugal Compressor and Improvement Design
Abstract: Based on the finite element method, the strength and mode calculation is carried out for the impeller crackle. The analysis indicates that the 1st and 2nd mode coupled with the multiple frequencies. After improving the structure of impeller, the coupled modes are avoided. And it is proved that the improvement is successful.
Key words: finite element analysis; impeller; mode; improvement
1 概述
  国内某钢厂1970年引进原苏联涅瓦(NZL)公司生产的一套高炉离心压缩机组,该离心压缩机为双缸结构,采用涅瓦(NZL)生产的可调速冷凝汽轮机驱动(型号AKB-18),压缩机型号为K4250。该压缩机原性能参数为:进口流量3200~4250m3/min,出口压力0.35~0.441MPa,轴功率11200~15 500kW。压缩机结构见图1。

  随着国内高炉容量的不断扩大,与之相配套的高炉风机也不断向大流量、高压力发展,该套机组逐渐不能满足高炉生产的需要。为适应高炉工况变化,该套机组由国内某公司进行扩容改造,对原压缩机的低压缸转子(单级双吸结构)、高压缸转子(3级单吸结构)及密封等进行更新改造。但改造后机组运行1年后,低压缸叶轮的盖盘产生了多条裂纹,现场经过打磨圆弧缺口(见图2)临时处理后低负荷运行,还是无法解决裂纹扩展,严重影响机组正常运行。2006年,我们按用户要求在保证该机组定子部件不变的前提下,改进叶轮结构,并对该转子等进行二次扩容改造。我们结合一次改造叶轮使用出现裂纹的情况,重点对低压缸叶轮裂纹分析计算后发现了问题,并提出解决方案,在此基础上对叶轮结构做改进设计,重新设计制造了高压、低压转子各一套。

2 原叶轮裂纹的原因分析
  低压缸叶轮盖盘中间位置出现了裂纹,且运行时间短。经化验分析,叶轮的材质没有问题,结构可能有缺陷。若静应力超过屈服强度,叶轮可能会在短时间内出现事故,核算后这一原因也可以排除。初步判断认为该裂纹可能是叶轮受到了某种异常振动冲击或长期周期性激振引起。
2.1 原叶轮结构
  该机组一次改造叶轮为单级双吸结构,叶片数为16个,其三维模型见图3。

2.2 叶轮强度分析
  该叶轮运行的工作转速为3 350r/min,叶轮与主轴在轮盘内孔处为过盈装配。叶轮由轮盘、叶片和轮盖焊接而成,叶轮的主要载荷是离心力[1] ,气流压力可以不计。因此,在有限元计算中[2]施加的边界条件及载荷如下[3]
  1) 边界条件:叶轮在运行过程中,约束与实际状况保持一致,在轮盘内孔处施加固定约束;
  2) 载荷:绕旋转轴施加一个转速为3 350r/min的离心力。
  将SolidWorks建立的叶轮三维实体模型输入到有限元分析软件中[4] ,经过有限元数值分析[5] ,该叶轮的应力云图见图4,应力最大为530MPa,位于叶片进口与盖盘交接处;叶轮的变形见图5,最大变形量为1.94mm,位于盖盘出口处。

2.3 叶轮的模态分析
  对该叶轮在内孔处施加固定约束,经过模态分析,其前两阶固有模态结果分别为:第一阶120.57Hz;第二阶120.94Hz。

2.4 计算结果分析
  在叶轮的模态分析中,通常都是考核叶轮的各阶固有频率是否避开叶轮的工作频率及前一级回流器静叶引起的激振频率。但是根据多年的分析经验显示,如果叶轮的各阶固有频率与2倍频避开率太小也会发生裂解事故,3倍频以后的各阶频率的振动应力很小,不会对叶轮产生安全性影响。因此本文模态分析中仅考核工作频率及其2倍频的避开率。
  由叶轮的有限元强度分析结果可以看到,该叶轮的最大应力530MPa与材料的屈服强度665MPa相比,安全系数为1.255余量较大,叶轮出口处的变形较大。
  由模态分析可知,该叶轮的一阶模态120.57Hz、二阶模态120.94Hz与工作频率55.8Hz(转速3 350r/min)相比较,与2倍频111.7Hz相近,避开率不足10%。随着机组在运行过程中积灰、冲刷等因素的影响,叶轮的固有模态可能会有所下降,因而会有潜在的发生共振的可能。
3 叶轮结构改进
3.1 叶轮结构改进方案

  经过以上的有限元分析,认为该叶轮的固有频率与2倍频避开率不足,且盖盘的变形量较大。基于这两点问题,在满足气动的前提下,改进目标就是减小盖盘的变形量和提高叶轮的固有频率。叶轮的结构改进如下:
  1) 盖盘与口圈过渡段加厚,以减小变形量。盖盘的口圈上方加宽,由25mm增大为53mm,并在盖盘出口外侧局部增厚到12mm(加强圈),以增强盖盘刚性。盖盘的改动见图7。
  2) 叶片数由16枚长叶片改为13枚长短叶片,这对提高轮盖的自振频率和减少叶道的二次涡流的影响是有利的[6] ,以减小盖盘的变形量。
  3) 为了增大轮盘的刚度,加大轮盘局部尺寸,改进结构见图8。

3.2 改进后叶轮强度分析
  叶轮载荷及边界条件同上,采用强度为780MPa的常规材料15MnNiCrMoV。经过计算,最大应力为581MPa,位于叶轮进口靠近盖盘处,应力云图见图9;位移最大为0.82mm,位于盖盘出口,位移云图见图10。

3.3 模态分析
  经过计算,改进后叶轮的一阶模态为177.28Hz,二阶177.9Hz,与2倍频的避开率增大到60%以上,前两阶模态见图11。

3.4 结果讨论
  叶轮的应力改进后由530MPa增大到581MPa,但与材料的屈服强度相比余量较大(安全系数为1.34);盖盘的变形量由1.94mm变为0.82mm,减小了58%,效果明显;叶轮的一阶频率由120.57Hz提高到177.28Hz,避开率大幅提高到51%,安全区域大大拓宽。
4 改进效果
  本次改造的主要目标是避免该压缩机运行叶轮出现裂纹,并提高压缩机的气动性能。经过对高压缸和低压缸叶轮进行改造后,此压缩机现场运行平稳,性能明显提高,至今仍正常运行,叶轮也未出现裂纹。该压缩机在陕鼓改造前、后性能见表1和表2(压缩机转速3 350r/min)。

表 1 陕鼓改造前 K4250 风机性能

日期

风量/(m 3 /min)

风压/Mpa

蒸汽汽压/MPa

备注

20040205

3619

0.26

3.05

日平均数

20040225

3602

0.26

3.05

日平均数

20040315

3410

0.25

3.1

日平均数

20040805

3511

0.27

3.2

日平均数

20040825

3460

0.27

3.2

日平均数

表 2 陕鼓改造后 K4250 风机性能

日期

风量m 3 /min

风压/MPa

蒸汽机汽压/MPa

备注

20090503

4324

0.29

3.1

日平均数

20090505

4217

0.30

3.1

日平均数

20090507

4177

0.30

3.1

日平均数

20090509

4255

0.30

3.1

日平均数

20090510

4249

0.30

3.1

日平均数

注:表格中压力均为表压。
5 结论
  1) 通过有限元软件对叶轮的强度及模态进行分析,在此基础上进行结构改进设计。改造后叶轮安全运行结果表明,本次改造成功的解决了叶轮运转中出现裂纹的问题。
  2) 离心叶轮在运转过程中,受到的主要是离心力载荷。一般来说,叶轮破坏主要由于离心力过大引起的静应力破坏。但是在某些情况下,叶轮的静强度虽满足设计要求,还会因共振发生破坏;因此,在直径较大叶轮可靠性分析过程中,对其进行静强度分析及固有模态分析是十分必要的。
  3) 在转子安装空间限制后,压缩机转速固定,在叶轮增加叶轮直径有限时,适当增加短叶片,不仅提高压缩机性能,还大大提高了叶轮的刚性,有利于机组平稳运行。

参 考 文 献

[1] 刘士学,方先清.透平压缩机强度与振动[M].西安:西安交通大学出版社,2007.
[2] 许敏,薛惠芳.基于SolidWorks的叶轮有限元分析[J].风机技术,2011(4):43-44.
[3] 乔社宁,周根标,李春满,等.钢板焊接叶轮强度的有限元分析及结构改进[J].风机技术,2011(2):32-33.
[4] 丁铁华.基于有限元法的离心风机叶轮强度分析与结构优化[J].风机技术,2011(6):14-17.
[5] 傅永华.有限元分析基础[M].武汉:武汉大学出版社,2003.
[6] 徐 忠,离心式压缩机原理[M].机械出版社,1990.75-76.

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