叶轮结构设计

叶轮结构设计（通用12篇）

叶轮结构设计 篇1

0引言

在铣削加工中,常通过平口钳、工作台面和压板装夹来完成回转体工件的加工,由于是通用夹具,可装夹的工件形状相对单一,而像叶轮这样带有叶片的回转体,由于形状复杂,采用通用夹具通常不能满足加工要求。为了提高生产率,减少对刀和找正工件的辅助时间,使加工快捷方便,进而保证加工精度,本文设计了一种分度式铣床专用夹具,用于加工水泵叶轮上面的十字槽。这套夹具采用定位盘和圆柱销定位,杠杆联动压板夹紧(装卸工件更快速、准确),用分度盘进行分度(在加工完一个直槽后,通过分度把第二个槽的位置转到加工位置)。虽然夹具结构略显复杂,但能提高效率,在批量生产中显示出很好的经济性。

1零件分析和加工要求

图1为叶轮零件图。叶轮是典型的盘盖类零件, 材料为灰铸铁,该零件外形尺寸不大,年产量10 000件,属大批量生产。零件加工要求如下:1两个十字通槽相对Φ12H8孔轴线的对称度公差为0.2mm;2两个槽互成90°夹角。该零件形状比较复杂,其他各表面已经加工过或为不加工表面,本工序待加工表面为叶轮的十字通槽,经过方案对比,决定以叶轮底平面、 Φ12H8孔作为定位基准面。本工序的主要问题就是十字通槽在一个工序加工完成后进入下一工序时如何保证其位置精度的要求,特别是使加工快捷方便、分度基本准确,减少装拆工件、对刀和找正等辅助时间。

2夹具结构分析

2.1定位方案

经过零件分析,采用不完全定位方式,工件以底平面定位,选用圆盘作为定位元件,限制工件沿Z轴移动、沿X轴转动、沿Y轴转动3个自由度;工件以 Φ12H8孔定位,用Φ12g6定位销为定位元件,限制沿X轴移动、沿Y轴移动自由度。利用压板缺口卡住叶片以控制工件在安装中沿立轴(Z轴)旋转带来的误差,基本达到对中,能保证十字槽加工时的正确位置。 叶轮十字横夹具如图2所示。

2.2夹紧方案

为便于快速装卸工件,采用螺母紧固通过铰链杠杆联动方式夹紧和放松工件。

2.3对刀方案

安装夹具时对刀装置采用直角对刀块,利用塞尺检测刀具与对刀块的间隙来调整对刀位置。

2.4分度方案

由于叶轮上4个十字槽尺寸公差属未注公差,只是加工槽与Φ12H8孔轴线有对称度要求,即为0.2mm, 因此所设计的分度装置达到一般精度即可。如图2所示,分度盘下端面做出4个圆周方向的斜槽。当一条槽加工完毕后扳手11顺时针转动,使分度盘3与夹具体10之间松开。然后逆时针转动分度盘,在斜槽的推压下,对定销9下移,当分度盘转至90°时,对定销9在弹簧作用下弹出,落到第二条斜槽中,再反方向转动分度盘使对定销靠紧斜槽,完成分度对定。逆时针旋转扳手11,通过螺母1和中心轴2将分度盘压紧在夹具体上,即可加工第二条槽。这套分度装置结构简单、制造方便,能满足加工要求。

2.5夹具体

采用铸造夹具体,材料为HT200灰铸铁,价格经济、减震和吸震性好。夹具体底部装有两个定位键,使整个夹具在工作台面上正确定位,夹具体耳座开有U形槽以便与铣床工作台的T形槽连接,以此固定夹具。

1-螺母;2-中心轴;3-分度盘;4-定位盘;5-压板;6-定位销; 7-铰链螺栓;8-杠杆;9-对定销;10-夹具体;11-扳手

3夹具可行性分析

该夹具快捷方便,能正确地发挥各部分功能,本文从定位、夹紧、导向3个方面对其可行性进行分析。

3.1定位

定位准确与否直接影响到加工质量的优劣,因此设计夹具的首要问题就是对定位误差进行分析。一般来说定位误差不超过零件制造公差的三分之一,夹具的定位精度可以满足加工精度的要求。影响定位误差的因素主要有两个:1定位基准若与设计基准不重合,则存在基准不重合误差 ΔB;2来自于工件定位面相对定位基准面的位移误差,基准位移误差 ΔY。则定位误差为:

本工序的主要加工要求是:对称度0.2mm(需计算定位误差);槽的尺寸11×11(未注公差按IT12级) 由三面刃铣刀尺寸保证。

由于本夹具加工时,定位基准和设计基准都是中心轴线,因此基准不重合误差为零。所以定位误差来自于基准位移误差,为使工件在加工完毕后能顺利地从夹具中拆卸,夹具的定位元件———定位销与工件孔之间配合Φ12H8/g6(为间隙配合)比较合理,其位移误差就等于配合的最大间隙:

其中:ES为上偏差,为 +0.027;ei为下偏差,为 -0.017;Xmax为最大间隙。

所以 ΔD=0.044 mm,小于对称度公差0.2 mm的1/3。因此该夹具定位满足加工要求。

3.2夹紧

夹紧是首先保证定位准确,其次保证加工过程中零件稳定不动,为此计算满足切削条件要求的最小夹紧力。

本工件材料为HT200,抗拉强度为σb=200 MPa,硬度为210HBS,槽宽、槽深均为11 mm,铣刀直径d=75mm,齿数z=14,进给量af=0.2 mm/r,切削速度v=20 m/min,铣削宽度ae=11 mm,铣削深度ap=2mm,则切削力为:

其中:CF为铣削力系数,查表取294;KF为修正系数, 灰铸铁取。经计算F=623N。

在计算切削力时应考虑安全系数,即:

其中:K0为基本安全系数,一般为1.2~1.5,本文取1.3;K1为加工性 质系数,粗加工取1.2,精加工取1.0,本次计算取1.2;K2为刀具钝 化系数,一般为1.1~1.3,本计算取1.2;K3为切削特点系数,连续切削取1.0,断续切削取1.2,本次计算取1.2。经计算K=2.25。则实际所需最小夹紧力F′=KF=1 402.8N。 而单个M10螺旋夹紧的许用夹紧力为4 200N,考虑到压板采用平压板,其夹紧力是其作用力的一半,即等于2 100N,两块压板还是4 200N,按其0.4的摩擦因数产生摩擦力1 680N,大于切削力,故此夹紧方案夹紧力足够。因此,只要夹紧螺杆的公称直径≥10mm, 其提供的夹紧力都可以满足要求。

3.3对刀

考虑到十字槽的加工经济性,夹具中选用直角对刀块,其结构参照JB/T8031.3—1999国家标准确定。 其对刀误差等于塞尺厚度,对刀误差 ΔT=0.014mm, 所以对刀误 差 ΔT的数值远 小于工件 槽制造公 差0.2mm的1/3 ,满足对刀精度要求。

4夹具总体方案设计

主要标注如下尺寸和技术要求:

(1)最大轮廓尺寸:总长340mm、总宽250mm、总高205mm。

(2)影响工件定位精度的尺寸和公差:定位销与工件的配合尺寸Φ12H8/g6。

(3)分度盘与夹具体的配合尺寸 Φ120H7/g6;安装中保证Φ12g6定位销轴线对夹具体止口轴线的同轴度公差 Φ0.03 mm;对定销与 夹具体衬 套的配合 Φ10H7/g6。

5实用效果

利用这种方法进行试加工,加工中应注意选择合适的切削用量,观察加工情况。实践证明,本夹具装卸工件迅速可靠,大大提高了生产效率。该夹具操作简单、方便,拆装工件易于操作,能满足相对精度要求不高的水泵叶轮十字槽的加工要求。

叶轮结构设计 篇2

使用压力修正算法及k-ε湍流模式求解 Reynolds时均的`N-S方程,数值分析了离心式压气机叶轮内部湍流流动及叶轮出口“射流-尾迹”结构的形成过程,计算与实验结果的比较表明,二次流对低能流体的输运是形成射流-尾迹结构的主要原因.

作 者：赖焕新 康顺 吴克启 Lai Huanxin Kang Shun Wu Keqi 作者单位：赖焕新,康顺,Lai Huanxin,Kang Shun(中国科学院,工程热物理研究所,北京,100080)

吴克启,Wu Keqi(华中理工大学,动力工程系,湖北,武汉,430074)

叶轮结构设计 篇3

【关键词】复杂整体叶轮数控加工；关键技术；研究

前言

隨着科学技术的飞速发展，机械加工技术也与时俱进地更新换代，技术要求也逐渐变得严格。为了保证加工成品的合格率，必须调整工作里的每个细节。提高产品的精度避免成品不合格造成的负面影响。随着不规则形状零件对现代机械技术发展的挑战越来越高，加工技术的提高也急不可待。复杂整体叶轮数控加工技术取代传统加工技术成为主要加工技术也是时代发展的潮流。

1.复杂整体叶轮数控加工的内涵

1.1复杂整体叶轮数控加工的概念及其发展

复杂整体叶轮数控加工是指在机床上利用整体叶轮数控技术对零件进行加工的一个复杂的过程。复杂整体叶轮数控加工和非复杂整体叶轮数控加工的流程从整体上来说是大致相同的，但在技术上却大相径庭。采取数字信息控制和加工零件的复杂整体叶轮数控加工方法是针对零件种类多样、相同型号产量少、结构复杂、精度要求高等现实状况达到高效化和自动化加工的有效方法。复杂整体叶轮数控加工的发展方向是高速和高精度。上世纪50年代，MIT设计了APT。APT具有程序简洁，方法灵活等优势。但也有很多不足之处如对于复杂的几何形状，无法表达几何即视感[1]。为修正APT的不足，1978年，法国达索飞机公司开发了CATIA。这个系统有效的解决了几何形状复杂、难以表达即视感的缺陷。国内外从事整体叶轮数控加工的相关领域，针对实际生产加工中的各项关键技术进行了较为细致的研究，并且将诸多可行性成果投入到实践过程中，取得了极佳的生产效益。例如：通过分析了五坐标数控加工中非线性误差产生的原因，建立了适用于五坐标数控加工的非线性误差计算模型。再如，针对五坐标数控加工中刀轴矢量的转动会产生非线性误差及刀轴矢量受机床转动行程限制的问题，提出了满足允许加工误差的五坐标数控加工刀具轨迹计算方法。总之，这些针对复杂整体叶轮数控加工关键技术的研究内容，对与实践加工过程而言，值得借鉴并应用。

1.2复杂整体叶轮数控加工的内容

复杂整体叶轮数控加工的内容有挑选适宜在数控机床上加工的零件，对复杂整体叶轮数控加工方案进行确定；详细绘制所加工零件和叶轮的图纸；确定复杂整体叶轮数控加工的详细流程，如具体工作的分工、工作的前后顺序、加工器具、叶轮的选择与位置确定、与其他加工工作的衔接等；修正复杂整体叶轮数控加工的流程。确定复杂整体叶轮数控加工中的允许误差；指挥叶轮数控机床上一些技术部分工作等。

2.复杂整体叶轮数控加工的关键技术

2.1复杂整体叶轮数控加工的关键技术内容

复杂整体叶轮数控加工的关键技术的内容就是明确零件的什么部位需要进行复杂整体叶轮数控加工，经过什么流程，如何确定这些流程的前后顺序等等。通常在复杂整体叶轮数控加工时确定零件加工的工作步骤有如下几种方法：按所使用的工作器具确定。为了减少切换工作器具次数，节省时间，可以采取将同一种工作器具集中使用的方法来确定工作步骤。在一个工序中使用同一个工作器具的全所有步骤率先集中，统一完成后然后再使用第二种工作器具进行该种工作器具所要加工的所有步骤，以此类推。平面孔系零件一般使用点位、直线操控数控机床来加工，制定加工的工作步骤时，着重于控制加工精度、成品率和加工所需时间。旋转体类零件通常使用数控车床或磨床加工。在车床上加工时，一般加工成品冗余多，使用粗加工方法。数控车床上用到低强度加工器具加工细小凹槽的情况很频繁，因此适于斜向进刀，一般不要崩刃。平面轮廓零件一般使用数控机床加工。方法上应该着重把控切入与切出的方向。使用直线和圆弧插补功能的数控机床在加工不规则零件的曲线轮廓时，一定要用最短的直线段或圆弧段来无限逼近零件轮廓，让零件的误差在合格的基础上加工的直线段或弧段的数量最少为最佳方案[2]。立体轮廓零件：某些形状的零件被加工时，由于零件的形状和表面质量等多方面问题致使零件强度较差。机床的插补方法可以解决这一难题。在加工飞机大梁直纹曲面时，如果加工机床是三轴联动便只能使用效率较低的球头铣刀；如果机床是四轴联动，则可以使用效率比球头铣刀高的圆柱铣刀铣削。

2.2复杂整体叶轮数控加工的关键技术过程

复杂整体叶轮数控加工的关键技术的一般过程要经过阅读零件，技术分析，制定技术，数控编程，程序传输。复杂整体叶轮数控加工之前应该绘制好零件的加工设计图稿。在数控机床上加工零件时，应该先按照之前绘制好的零件图稿来分析零件的结构、材质、几何形状、大小和精度要求，并采用分析结果作为确定零件复杂整体叶轮数控加工技术过程的基础。确定复杂整体叶轮数控加工技术过程，要先详细了解零件复杂整体叶轮数控加工的内容和原则；之后再设计加工过程，挑选机床和加工零件所需的器具，确定零件的加工位置和装夹，确定复杂整体叶轮数控加工中工作的步骤和顺序，确定每个工作步骤中具体的工作器具的使用方法及切割大小；还需要填写复杂整体叶轮数控加工的技术文件、加工程序及程序校验等。通过实际的操作经验总结，单纯的按照之前设定的复杂整体叶轮数控加工程序来实际操作加工零件依然存在很多缺陷。因为人力工作可能对程序的具体步骤和原理不够明确，对编程人员的本意理解也不是很透彻，通常需要编程人员在零件加工时对加工人员进行现场的指导，这种情况对于零件数量较少的加工状况还能勉强正常工作，但对于时间长、数量大的生产情况，就会生出很多问题。所以，编程人员对复杂整体叶轮数控加工程序比较复杂和不易理解的部分进行适当的补充和说明的作用是不可小觑的，尤其是要针对那些需要长时间和大批量生产零件的复杂整体叶轮数控加工程序特别关键。

2.4复杂整体叶轮数控加工的关键技术中应注意的问题

在复杂整体叶轮数控加工的关键技术中一定要注意并且预防工作所使用的叶轮在工作中和零件等出现不必要的摩擦，所以一定要明确的强调工作人员复杂整体叶轮数控加工的关键技术编程中的加工器具的加工路线，使加工人员在加工前就都清楚明了的知道加工路线[2]。与此同时还应该设置好固定紧叶轮的位置，如此便可以减少不必要的问题出现。除此之外，对于某些程序问题需要调整程序及加工叶轮路线和位置时必须事先告知操作人员，以防出现不必要的问题。

结语

本研究的意义在于让读者对目前为止最前沿的复杂整体叶轮数控加工的关键技术有一个全面性的掌握。由于我国目前复杂整体叶轮数控加工的关键技术处于飞速发展阶段，关于复杂整体叶轮数控加工的关键技术引进速度非常迅猛，却缺乏对复杂整体叶轮数控加工关键技术操作完全了解和掌握的人才，因此加快对复杂整体叶轮数控加工关键技术的了解和学习，加大这方面人才的培养力度也急不可待。

参考文献

[1]中国机床工具工业协会行业发展部.CIMT2001巡礼[J].世界制造技术与装备市场，2012，12（3）：18-20.

叶轮类熔模铸造模具设计研究 篇4

叶轮作为动力机械的主要部件,广泛应用于城市排水、化工、发电、航空航天等诸多领域。由于叶轮形状结构复杂,叶片形状不规则,尤其是闭式叶轮,其内部叶片间的结构难以用其它方式进行加工,故叶轮毛坯生产大多采用熔模铸造的方式。所以,作为熔模铸造的关键工装-模具,对于最终铸件的形成具有重大意义,考虑到叶轮的结构相对复杂,本文选择了一种典型的闭式叶轮就其模具设计过程的各个环节进行了分析和研究。

2 叶轮模具特点及构成

叶轮模具主要由型体、型芯、定位元件、锁紧机构、起模机构等几部分组成(见图一),由于叶轮型腔部分结构比较复杂,所以一般需要单独制作芯模来制作型芯,然后在主体模具上设置固定位置来固定型芯,所以这就要求制作型芯的模具和主体模具的定位部分保持一致,同时在起模时,为了保证蜡型完整,一定要设置顶出式的起模机构,保证铸件各部分同时起模。

3 叶轮模具材料选择

由于叶轮的结构比较复杂,尤其是内部型腔部分结构更为复杂,所以一般采用金属材料,制作叶轮叶片部分的芯模由于结构较复杂,容易变形,一般采用硬度较高的45钢等材料,而叶轮主体模具考虑起模及组装方便,一般采用铝合金材料,有的也采用铝材料为主,在关键、容易变形部位用45钢材料的方式。

4 主体模具分型面选择

铸件要从模具内取出,以及为了安放嵌件、取出浇口,将模具适当分成两个或若干个可分离部分,这两个或若干个可分离部分的接触面称为分型面。分型面的选择应综合考虑以下方面:(1)应有利于铸件取出,一般选在铸件外形轮廓最大断面处;(2)应有利于保证铸件精度;(3)尽量选择平直分型面,简化模具制造;(4)尽量选择铸件需要加工的面作为分型面。根据叶轮的结构特点,考虑安装型芯的方便,一般选择最大的辅板处为分型面,这样既有利于模具结构加工,又有利于铸件取出。

5 主体模具定位及锁紧机构

模具在加工完成后,装配时,为了保证组装后的模具能够满足产品的尺寸精度要求,应采用一定的方式进行定位和锁紧。根据叶轮熔模铸造模具的特点,基本都采用定位销定位的方式,每一定位面一般需要设置两个以上定位销才能限制其自由度,但过多的定位销会引起过定位,定位销之间的间距越大,定位精度越高。根据叶轮模具的特点,在模具对角位置设置两个定位销就能够满足模具定位要求。

由于叶轮熔模铸造模具一般为铝合金材料制成,其常用的锁紧方式一种是采用直接在模具上下模上配做螺栓孔进行装夹,但考虑到铝合金材质较软,螺纹扣强度不够,一般采用在螺纹部分镶钢丝螺套的方式进行固定;另一种锁紧方式就是在模具上加工螺栓槽,装配回转螺栓进行锁紧。两种锁紧方式可根据压蜡机的结构进行选取。

6 排气孔的设置

模料注入模具时,如果型腔内的气体来不及排除或在型腔深处形成气袋,往往造成熔模成型不良,因此模具型腔应有良好的排气条件,排气方式主要由分型面间隙排气,型芯间隙排气,顶杆间隙排气、排气槽排气、排气孔排气等,根据叶轮模具的特点,可以考虑采用型芯间隙排气和顶杆间隙排气两种方式进行排气。

7 起模结构的设置

由于叶轮模具在压注过程中,需要放入制作好的型芯来形成内腔尺寸,所以在起模时应该设计顶出机构,以保证叶轮蜡型完整从模具中取出,起模机构主要有顶管起模、顶板起模、顶块起模、复合起模等几种方式,根据叶轮的模具结构特点可以考虑采用在顶板基础上加入圆柱销的起模方式。

8 型体附属结构:起模槽切割线注蜡口

为了方便蜡型从模具中取出,一般需要在模具的适当位置加工起模槽,方便进行上下模分离;为了方便叶轮铸造完成后进行冒口切割,可以考虑在模具上设置切割线,便于进行冒口切割。

叶轮模具的注蜡口在设计时应能保证在注蜡过程中充型良好,由于叶轮模具需要安装型芯,所以注蜡孔一般设置在模具正中心,这样可以保证整个模具在充型过程中注蜡压力比较平均,充型效果好。

摘要：介绍了叶轮类熔模铸造模具材料选择、结构设计和模具各组成部分的设计要点。

关键词：叶轮,熔模铸造,模具

参考文献

[1]邱言龙等.模具钳工技术问答[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]曾珊琪,丁毅主编.模具制造技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[3]赵昌盛.实用模具材料应用手册[M].杭州:机械工业出版社,2005.

6轴流式流体机械的叶轮理论 篇5

对于轴流式流体机械，同样可采用欧拉方程来分析，但由于轴流式流体机械的叶轮数较少，叶片间的流道较宽，分析其实际能头时，要做很多修正。因而，其叶轮理论一般是用机翼理论来分析

§6-1基本名词术语 1.叶轮轮毂半径rh 2.叶片外缘半径rt

3.基元（基元级）叶片：在叶片的任意半径r及r+dr处将两个同心圆柱面切开，则这两个面之间的部分称为基元叶片。

4.翼型：设dr很小，基元叶片展开成平面，其中一个叶片的翼型断面 5.工作面：翼型凹面——正压力面 6.背面：翼型凸面——负压力面

7.翼型中线（骨架线骨线）：翼型两面间内切圆圆心的连线 8.翼弦和弦长：中线端点的连线，长度L称为弦长

9.前缘点和后缘点：中线有两个端点，迎着来流方向的端点另一端点称为后缘点，翼型前缘是圆滑的，后缘是尖锐的

10.前驻点和后驻点：来流接触翼型后开始分离的点称为前驻点，绕流翼型后在后端会合的点称为后驻点

11.翼型厚度：与骨线垂直的翼形两面间的距离，max—最大厚度

maxl

fmaxl12.挠度：翼型中线与翼弦的距离f，f

bl13.翼展：垂直于纸面的翼型长度称为翼长或翼展b，相对翼展

14.前缘方向角：翼型前缘点处中线的切线与翼弦所形成的夹角x1 15.后缘方向角：翼型后缘点处中线的切线与翼弦所形成的夹角x2 16.翼形弯曲角：x1x2y2y1

17.叶栅：相同翼型等距排列的翼型系列 18.叶栅列线：叶栅中各翼型的相对应点的连线 19.平面直列叶栅：叶栅列线为直线

20.栅距：两相邻翼型在叶栅列线方向上的距离t，t2r/z r—为圆柱切面的半径 z—为叶片数

21.叶栅稠密度：弦长l与栅距t之比

tl22.冲角：来流w与弦的夹角称为冲角 23.正冲角：冲角在翼弦以下（工作面迎着来流）§6-2机翼和叶栅的升力理论

一、弧立翼型的升力理论 ①升力Fy:垂直于w ②阻力Fx:平行于w

FyCw2y2blFw2

xCx2bl③Cy—升力系数 与断面形状，冲角，表面粗④Cx—阻力系数

糙度雷诺数

—滑翔角

⑤升阻比tgFx1FyCyFytgFxC

x

切线与纵坐标的夹角为min，tgmin取最小值时，升阻比最大

二、叶栅

1.速度

已知：Q,A,,D,n 对于等半径的叶栅： 圆周速度u1u2u 相对速度的轴向分速

w1mw2mwmcmQA

wmwuwu2wtgww2u1u22wmw1uw2u2cmcm2ccu2uu122

ucu1cu22wuw1uw2u2w1ww2cmc1c212w1uw2uu

2.动力学基本方程式——叶栅

①作用在基元上的力有升力dFy，和阻力dFx其合力为dF ②dF与圆周方向一夹角为90()

③dF的圆周分量为dFudFcos90dFsin()④使翼型dr转动的推动功率

dPudFsin()

⑤叶片数为Z，则所需总功率

ZdPzudFsin()

⑥流经dr段的流量为dQT，则功率为

dQTHTzudFsin()dFdFycosCy,dFyCyw22bdrdQTZtdrcmHTHTsin()lu2w2gtcmcos22Cy1ucmsin2gtcmsin()cosg,cmw/sin

HTCyltu(cu2cu1)g2cuwwucusincossincoscossin12cu1tg/tg当叶轮以角速度ω转动时，由于叶轮内外半径的不同引起内外断面处圆周速度的不同，而希望内外断面所产生的能头相同，否则形成二次回流，由欧拉方程知

u2外cu2外gu2内cu2内gu2外u2内cu2外cu2内由于c2m内c2m外QA

2外2内扭曲叶片cm2c2外cm2外c2内cm2内w2内y2内cu2内cu2外

叶轮结构设计 篇6

【关键词】数控加工；MasterCAM；CAD/CAM；自动编程

1.自动数控编程的准备工作

准备工作主要包括工件坐标系、对刀点与换刀点的确定，工件坐标系零点就是编程零点。在加工编程中，为了使工艺基准与设计基准保持一致。叶轮加工的难点主要体现在以下三点：（1）整个叶轮包括了6个叶片，叶片相邻的空间狭小，加工时刀具容易和被加工的叶片以及相邻的的叶片发生干涉；（2）叶片为薄壁结构，且为非可展扭曲直纹面，形状相对比较复杂；（3）抛物面和ф96的圆柱上表面的连接不是简单的圆弧连接，有一“下凹”部分，与X方向有6°夹角，也需要利用五轴联动加工来完成。由于零件的加工要涉及到五轴加工，因此需要借助CAD/CAM软件来生成数控程序，本文采用Mastercam X7软件来完成。在叶轮的加工设备上选用单位自有的配有Heidenhain_TNC530数控系统的五轴加工中心，该机床能实现X、Y、Z、A、C五轴联动，具体的工作行程参数为：X轴730mm纵向、Y轴560mm横向；Z轴560mm垂向，A轴（工作台摆动）-110°～120°，C轴（工作台旋转）360°。从这些参数可以看出该机床能胜任整体叶轮加工的任务。

2.MasterCAM的数控加工功能与应用

2.1零件的几何建模

建立零件的几何模型是实现数控加工的基础，MasterCAM四大模块中的任何一个模块都具有进行二维或三维的设计功能，具有较强（CAD）绘图功能。可以运用Design模块建模，也可以根据加工要求使用Mill模块、Lathe模块和Wire模块直接建模，在进行零件的建模时，无需画出整个零件的模型来，只需要画出其加工部分的轮廓线即可，加工尺寸、形位公差及配合公差可以不标出，这样既节省建模时间，又能满足数控加工的需要；建模时，应根据零件的实际尺寸来绘制，以保证计算生成的刀具路径坐标的正确性；并可将不同的加工工序分别绘制于不同的图层内，利用MasterCAM中图层的功能，在确定刀具路径时，加以调用或隐藏，以选择加工需要的轮廓线。

2.2零件的模拟数控加工

设置好刀具加工路径后，利用MasterCAM系统提供的零件加工模拟功能，能够观察切削加工的过程，可用来检测工艺参数的设置是否合理，零件在数控实际加工中是否存在干涉，设备的运行动作是否正确，实际零件是否符合设计要求。同时在数控模拟加工中，系统会给出有关加工过程的报告。这样可以在实际生产中省去试切的过程，可降低材料消耗，提高生产效率。

2.3生成数控指令代码及程序传输

通过计算机模拟数控加工，确认符合实际加工要求时，就可以利用MasterCAM的后置处理程序来生成NCI文件或NC数控代码，MasterCAM系统本身提供了百余种后置处理PST程序。对于不同的数控设备，其数控系统可能不尽相同，选用的后置处理程序也就有所不同。对于具体的数控设备，应选用对应的后置处理程序，后置处理生成的NC数控代码经适当修改后如能符合所用数控设备的要求，就可以输出到数控设备，进行数控加工使用。

3.加工过程

根据零件的尺寸要求，选用直径为100mm高度为76mm的棒料作为毛坯，分以下几道工序进行加工。

工序一：运用三爪夹持棒料下端面，采用ф12的硬质合金立铣刀去除棒料上端的主要余量。在这一工序的加工中采用Mastercam X7的“高速曲面加工”方式，這种方式用立铣刀按等高面一层一层地铣削，层与层之间的高度为2mm，加工效率较高。在这一工序中主轴转速S可以设为6000r/min，进给速度F3000mm/min，加工后得到 “梯田台阶”形状。

工序二：将上一工序得到的部分“梯田台阶”铣掉，使曲面接近理论曲面。在这一工序的加工中依然采用ф12的立铣刀，但主要利用立铣刀的侧刃进行加工，并且较上一道工序主轴转速保持不变，将进给速度改为1000mm/min，利用Mastercam X7的“沿边五轴加工”方式进行加工，最后得到 “圆台”形状。

工序三：加工抛物面和φ96的圆柱上表面的连接面，该连接面不是简单的圆弧过渡，有一“下凹”部分，与X方向有6°夹角，需要利用五轴联动加工才能达到尺寸要求。加工时A轴角度基本保持在84°，并根据加工需要进行微小调整，配合X、Y、Z和C轴进行联动加工。加工时需要采用ф8R4的硬质合金球头刀，并利用Mastercam X7的“两曲线的渐变”方式进行加工。该加工方式选项位于“刀路”/“多轴刀路”的级联菜单中，具体的加工的相关参数设置在“多轴刀路——两曲线之间渐变”对话框中设置。下面就关键的几步进行说明：（1）“切削方式”设置中有“编辑曲线”栏要选择两组曲线，第一组要选择抛物面，第二组选择ф96的圆柱上表面。（2）“刀具轴向控制”中的“输出格式”要选择五轴，“前倾角方向”设为10°，“侧倾角切削方向”设为90°。除以上几步需要进行特别设置，其他可以选用默认值。

工序四：进行叶片粗加工，这一工序需要五轴联动来进行加工，加工中依然采用ф8R4的球头刀，运用Mastercam X7的“多轴刀路”中的“叶片专家”进行加工，具体的加工的相关参数在“多轴刀路——叶片专家”对话框中设置。几个关键参数设置如下：“切削方式”模块的“加工方式”选为粗加工，“排序方式”选择“双向，由前边缘开始”以提高加工的效率；在“定义组件”模块中“叶片”选择两相邻的叶片，“轮毂”选择刚选中的两相邻叶片的中间区域，并且设置“分段数量”为6。其他参数可以选择默认，就可出程序完成粗加工。

工序五：叶片顶部区域的抛物线曲面精加工，这里只需要普通的三轴联动就可实现。采用Mastercam X7的“刀路”—“曲面精加工”—“流线加工”来生成程序完成加工，这里采用的刀具选用ф8R4的球头刀，主轴转速为6000r/min进给速度取为3000mm/min。

工序六：进行叶片精加工，在Mastercam X7的“多轴刀路”中选择“曲面实体”并点选“Swarf milling”，在相应的对话框中设置加工参数。关键参数设置如下：“切削方式”模块的“切削曲面”选择叶片侧面，“底部曲面”选择两相邻叶片之间的轮毂；“曲面公差”中设定切削公差为0.1，最大距离为0.2。其他参数可以选择默认，就可出程序完成本道工序的加工。

工序七：进行轮毂的精加工，本道工序的加工出程序的方法与工序四采用的方法基本一直，只需要在“切削方式”模块的“加工方式”将工序四中的粗加工改成“精修轮毂”即可。通过以上步骤最终完成叶轮零件的加工。通过三坐标测量仪测量该零件叶片的弧度，均满足规定的要求。 [科]

【参考文献】

叶轮结构设计 篇7

关键词：无动力,叶轮,跌水,充氧

1 引言

在污水处理技术领域中, 好氧生物处理法占有非常重要的地位, 充氧技术是好氧生物处理中至关重要的环节, 对污水处理效率的高低起着关键作用。充氧是生化池 (如氧化沟、SBR池、曝气滤池等) 能消耗的主要因素, 直接影响到氧生物处理的效率和能耗。据某城市污水处理厂调研情况表明, 目前城市污水处理厂大部分采用的是各种类型微孔鼓风曝气工艺, 曝气工艺过程所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的50%~70%[1], 是水处理厂耗能最大的部分。在MBR运行中, 曝气能耗约占系统总能耗的60%~70%[2]。因此, 研究高效率、低能耗的充氧方式对污水处理具有十分重要的意义。

2 充氧方式

曝气装置是污水好氧处理系统至关重要的设备之一。当前广泛采用的曝气装置分为鼓风曝气和机械曝气两大类;鼓风曝气装置由空压机、空气扩散装置和管道组成。其中空气扩散装置是影响氧传递效率最重要的部分, 一般采用扩散板、扩散管、穿孔管、射流式空气扩散装置等。机械曝气主要采用转刷曝气器、倒伞形叶轮曝气器、泵型叶轮曝气器等[3]。不论鼓风曝气还是机械曝气都需要消耗大量电能。

目前中国中小城市、农村污水处理发展十分缓慢, 主要是无法承担过高的修建成本和运行处理费用。据调查, 在已建成的污水处理厂中, 由于运行费用的问题, 能够满负荷运行的还不到1/3, 无法达到国内的水污染控制要求。探索和发展简易、高效低耗, 能有效降低污水中氮、磷含量, 且适合中国国情的污水处理工艺已成为中国水处理行业普遍关注的课题。中国需要寻找更多运行成本低, 管理、操作简单, 符合中国国情的污水处理技术。从国内外的情况来看, 最大限度地削减处理厂运行费, 其中跌水曝气技术是一项可以探讨应用的好技术[4]。

东南大学吕锡武课题组进行示范性研究应用[5]。使用的工艺流程如下:原水→厌氧池→跌水充氧接触氧化池→生态塘→人工湿地→出水。污水经过集水管网进入厌氧池, 池内为厌氧状态, 污水经过厌氧发酵, 将复杂有机物部分转变成VFA, 进而产生甲烷和二氧化碳;经过厌氧处理后的污水进入多级跌水充氧接触氧化池, 接触氧化池共分五格串连, 内装填料, 其充氧采用跌水充氧方式, 借助生长在填料上的微生物对有机污染物的降解来达到净化污水的目的;经过生物接触氧化池, 其污染物质大部分被去除, 再进入氧化塘, 在氧化塘内污染物被进一步去除;然后进入人工湿地, 湿地为潜流式, 种植芦苇空心菜等水生植物, 主要利用植物对氮、磷等有机物的摄取能力实现氮磷的去除。该工艺对COD、NH4+-N、TN、TP有着很好的去除效果, 平均去除率分别在62%、96%、84%、87%以上, 平均出水浓度分别为59mg/L、0.83 mg/L、3.99 mg/L、0.19mg/L。取得了良好的处理效果, 跌水充氧能够满足生物接触氧化池的需氧量。

3 无动力“水车式叶轮”跌水充氧的提出

跌水充氧效率取决于水的分散程度, 以及水与空气的接触时间。现在充氧所用的挡板是条缝隙形状, 使水分散后与空气接触以达到充氧的目的。在挡板确定了的条件下, 要想增加DO浓度, 就需要增加跌水高度, 这会增加提升污水消耗的能量。

水车是我国古代最著名的农业灌溉机械之一。它是利用自然水流助推水车转动, 达到提升水位的目的, 无需外加动力。将水车进行改进, 使其功能主要是充氧。用轻质材料做成叶轮, 用滚珠支持悬空, 利用跌水带动叶轮转动, 达到充氧的目的。为此提出的“水车式叶轮”跌水充氧, 在东南大学跌水装置基础上无需动力消耗就能提高充氧效果。

4“水车式叶轮”跌水充氧设计

如图1, “水车式叶轮“安装在跌水板出口下方, 上级跌水正好跌落在叶轮上, 通过跌水带动叶轮转动。为了减小运转推动力, 叶轮可以用轻质材料加工制作, 并在固定端安装滚珠, 叶轮一半露出水面, 一半淹没于水中, 这样叶轮本身处于平衡状态, 只需要很少的动力就能使之旋转。

跌水过程中, 冲刷在“水车式叶轮”上被叶轮阻挡而分散, 使水与空气的接触时间增加, 空气与水接触时间增长, 溶解氧更趋近与平衡;水跌到叶轮上使水的分散程度增加, 从而扩大水与空气的接触面积, 使空气中的氧气更容易溶解到水中;跌水跌到叶轮上, 带动叶轮转动, 叶轮将接触氧化池中的水搅动, 更新池中水与空气的接触面, 使接触氧化池中的溶解氧的速率增加;叶轮转动时, 叶片还会把水带到空中, 使跌落到氧化池中水再次被提起与空气接触, 增加溶解氧。从理论分析, 在其他条件不变的情况下, 使用这种“水车式叶轮”跌水充氧方式能使水与空气接触时间增加一倍;另外, 由于叶轮的搅拌作用会使氧的转移系数提高。

5 结语

“水车式叶轮”的设置, 从多方面增加溶解氧的量, 从而提高充氧的效率, 但是具体的参数需要通过实践才能确定。“水车式叶轮”跌水充氧的应用将大幅度减少充氧费用, 在地处山区、丘陵地带的分散生活污水的处理具有广泛的应用前景。

参考文献

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[3]张自杰, 林荣忱, 金儒霖.排水工程 (下册) [M].4版.北京:中国建筑工业出版社, 2000.

[4]邓荣森, 王左良, 王涛.跌水曝气系统在污水处理工艺上的运用前景探讨[J].重庆建筑大学学报, 2007, 29 (1) :78~82.

离心泵关死点叶轮结构场分析 篇8

叶轮是泵的核心部分,其结构的可靠性对整个机组的安全运行有着重要的影响。传统的离心泵叶轮强度的计算方法一般基于经验和统计分析［１－３］,这些方法的共同特征是对流场压力载荷做了极大简化,因此无法得到叶轮上的应力分布特征, 也无法求得最大应力的发生位置。在有限元方法及其应用软件的发展趋势下,准确计算叶轮强度成为可能。通过数值计算结果可以得到叶轮的应力状态和变形情况。

当前基于流固耦合的离心泵有限元数值计算多为分析其设计工况及其附近工况的可靠性。随着各行业的发展,很多现代水泵设计对关死点性能也提出了明确要求［４－６］,并且一般情况下离心泵最高压力点都是在关死点。因此有必要对关死点工况下离心泵叶轮结构场进行分析。本文以一比转数为46的离心泵作为研究对象,在关死工况下考虑叶轮结构场影响对其进行了全流场的双向流固耦合计算,准确直观地得到了叶轮在关死点工况下载荷作用应力和变形,为叶轮的强度计算提供了可靠依据。

1研究模型

模型泵性能参数:设计点流量Qｄ=55m３/h、设计扬程Hｄ=33m、设计转速nｄ=1 450r/min、比转数nｓ=46.22、关死点试验扬程为Hｓｏｃ=34.9m;结构参数:叶片数z=5、叶片进口直径D１=78mm、叶轮外径D２=322mm、叶片出口宽度b２=12 mm、叶片出口角β２=38°、蜗壳基圆直径D３=332mm。采用三维造型软件Pro/E生成模型泵计算区域。

2数值计算

2.1内流场数值模拟

在流场建模时,为能够接受关死工况下进出口管路内的不稳定流动,在叶轮进口前延伸了20倍管径的吸入管路,在蜗壳出口管路延伸了蜗壳出口直径的5倍。流场计算区域包括进口延长段、叶轮通道、蜗壳、前后泵腔体及出口延长段。采用ICEM对流场部分划分网格,并在口环及蜗壳隔舌部分进行了局部加密,同时进行了网格相关性检查,最终流场网格数为3 883 399个。

离心泵关死点数值计算的主要难点之一是边界条件的设置。本文根据试验数据,给定进口总压。出口设置为质量流量出口。根据Dyson的研究,关死工况下可以认为泵内以口环泄漏量在运行［７］,其计算公式为:

式中:Q为设计工况下的流量,m３/h;nｓ为设计工况下的比转数。

根据实际情况设置叶轮、蜗壳以及进出口延长段的壁面粗糙度为25μm。叶轮和蜗壳流道两流体区域间的相互作用通过Interface进行传递,采用Transient Rotor Stator模型,网格的关联采用CFX软件的GGI方式。首先对流场进行了定常计算作为初始条件。

2.2结构场设置

结构场包括叶片结构场和盖板结构场,应用Workbench对叶轮实体进行网格划分,最终结构体网格数为82 888个。叶轮结构场的网格如图1所示。由于流场进出口延长段长度过长, 故图1中未显示。

在Workbench中进行时间步长的设置时,考虑到结构计算比较耗时耗内存,同时结构体部分的网格数也比较少,所以计算时间步长不能设置的太小,否则会导致计算失真或发散。经过反复比较,确定叶轮每旋转6°的时间作为时间步长,即时间步长为0.000 69s,叶轮旋转一圈共60个时间步长。

模型泵叶轮材料为不锈钢,其性能参数列于表1中。

2.3双向流固耦合数值计算方案

在进行流固耦合计算时,CFX中流场非定常求解的总时间和时间步长必须要与Workbench中相应的设置相一致。流体计算网格在流固耦合的作用下会发生相应的变形,因此需要利用CFX的动网格技术来解决,即在截面设置处将网格移动(Mesh Motion)设置为ANSYS MultiField。这样CFX就可以从ANSYS求解器接收网格的变形信息(Total Mesh Displace- ment),同时ANSYS求解器也可以接收CFX计算的力载荷(Total Force)。 瞬时流场求解采用Second Order Backward Euler格式,设置每个计算时间点上流场计算残差收敛精度为10－３。耦合计算数据传递过程的松弛因子默认为0.75,收敛标准取默认值。计算时以定常计算结果作为初始条件。

3计算结果及分析

为了获得比较稳定的结果,共计算了12个周期。经检测, 发现监测的扬程曲线已开始呈周期性变化。因此,选取第12个周期的计算结果用于分析。

3.1外特性

图3给出了数值计算预测的扬程脉动曲线。由图3可以看出,关死点扬程曲线脉动的波峰波谷数目均等于叶片数;通过计算得到关死点扬程的预测值为36.158m,与试验值的误差为3.6%,说明建立的离心泵关死点双向流固耦合计算方法是基本正确的。

3.2叶轮结构变形分析

为了探究关死工况下叶轮结构变形,对流固耦合计算第12个周期中最后一个时间步的结构场进行了详细地分析。

(1)叶轮位移变形分析。叶轮在第12个周期最后一个时间步的叶片位置如图4所示。

为了分析方便,对各叶片和各叶轮流道进行编号,如图4所示。叶片逆时针顺序依次编号为a、b、c、d和e;各叶轮流道逆时针顺序依次编号为1、2、3、4和5,各流道对应的前后盖板区域依次定义为前盖板区域1至5和后盖板区域1至5。为了更清楚地揭示叶轮盖板各面上的位移变形,对各个面进行如图5所示定义,包括前盖板外侧面(QW)、前盖板内侧(QN)、后盖板外侧面(HW)和后盖面内侧面(HN)。图6给出了关死工况下叶轮盖板和叶片表面的位移变形。从图6(a)和(b)中可以看出,前盖板两个面中最大位移变形量都出现在前盖板区域1出口的中间位置,位于隔舌的右侧;前盖板内侧QN面的位移变形最大值略大于前盖板外侧QW面的位移变形最大值;与前盖板区域1相比,前盖板其他区域的位移变形量明显减小,其中区域3的变形量最小;前盖板区域1、4和5三个区域的位移变形量都是从进口到出口逐渐增加,但在区域2和3的中间位置均出现了一个变形量极大的局部区域,使得这两个区域内位移变形量从进口到出口的变化规律呈现出先增加再减少再增加的脉动规律。

从图6(c)和(d)中可以看出,与前盖板两个面不同,后盖板两个面的最大位移变形量均出现在后盖板区域5的出口处,靠近叶片a的背面,且后盖板的最大位移变形量要小于前盖板的最大位移变形量;后盖板内侧HN面的最大位移变形量略小于后盖板外侧HW面的最大位移变形量,这与前盖板的规律相反;后盖板各区域位移变形量从进口到出口的变化规律较为复杂,除区域5外,各区域中部位置都出现了一个变形量极大的局部区域,同时各区域出口边都明显存在着变形量极小的局部区域;与前盖板一样,后盖板区域3的位移变形量最小。

从图6(e)和(f)中可以看出,无论是工作面还是背面,位移变形量都是从进口到出口逐渐增加,其中背面位移变形量最大值略大于工作面的位移变形量最大值;叶片离隔舌越远,其位移变形越小,5个叶片中,叶片a的平均位移变形量最大,叶片d的平均位移变形量最小。总体看无论是前后盖板还是叶片表面,离隔舌越远的区域其位移变形量就越小。

(2)叶轮等效应力分布。图7为关死工况下叶轮盖板与叶片表面的等效应力分布。从图7(a)和(b)可以看出,QW面最大等效应力均出现在各叶片与前盖板的连接区域,QW面最小等效应力均出现在各区域的出口边,其中前盖板区域1平均等效应力最大;QN面最大等效应力均出现在各区域的中心位置处,QN面最小等效应力均出现在各区域的出口处,且各前盖板区域的平均等效应力基本相同。

从图7(c)和(d)可以看出,后盖板HN面各区域等效应力大的最大值均出现在各区域的中心处,最小等效应力均出现在各区域的出口处,且各区域的平均等效应力也基本相等;后盖板HW面上各区域的最大等效应力均出现在五个叶片与后盖板的连接区域,最小等效应力也同样出现在各区域的出口边处。总体上看,后盖板的等效应力分布基本与前盖板等效应力规律相同,但后盖板的平均等效应力要大于前盖板的等效应力。

从图7(e)和(f)可以看出,与叶轮位移变形相比,叶片表面等效应力分布较为复杂,从进口到出口并不是一直增加;叶片表面最小等效应力出现在叶片进口处,最大等效应力则出现在各叶片与前盖板交界靠近出口附近处;叶片背面的最大等效应力要略大于工作面的最大等效应力;5个叶片中,叶片a的平均等效应力最大。

(3)应力量化分析。图8给出了关死工况下叶轮前盖板、后盖板出口边一周的等效应力曲线,其中0°位置代表叶片a出口边所在位置,角度方向为从0°开始逆时针旋转。从图中可以看到,前盖板出口边的等效应力曲线具有5个明显的波峰和波谷,这与模型泵的叶片数相同;波峰位置所在角度与5个叶片的角度相同,即每隔72°出现一次波峰;等效应力大的最大值出现在144°处,即叶片c出口边处,为5.6kPa,而其之前波谷处的等效应力达到最小,为0.6kPa,两者之差为5kPa;等效应力的次高峰出现在叶片e处,大小为4.6kPa。后盖板等效应力曲线与前盖板等效应力曲线有明显差异,仅有2个明显的波峰,其余曲线较为平坦;最大波峰位置在叶片c出口边处,对应的等效应力为3.4kPa,其之前的波谷处等效应力最小,为0.4 kPa,两者相差3kPa;第二个波峰位置在叶片a出口边处,对应的等效应力为2.6kPa。

总体上看,图8的量化曲线符合图7的等效应力分布规律。

3.3叶片边界等效应力分析

由于关死工况下叶片a的平均位移变形和平均等效应力都是最大的,因此叶片对a各个边界的等效应力进行进一步深入分析。图9给出的是叶片工作面、背面与前盖板及后盖板交线的等效应力变化曲线,图中横坐标0代表进口边,1代表出口边。

从叶片工作面与前盖板交线的等效应力变化曲线可以看到,在叶片进口等效应力最小,为1.76kPa;从叶片进口到叶片出口,等效应力逐渐增大,在0.8左右时达到最大值6kPa,这与图7(e)中显示的等效应力分布吻合;此后又平缓地减小,到0.9附近时出现陡降,到叶偏出口时等效应力已为4.7kPa。

从叶片工作面与后盖板交线的等效应力变化曲线可以看出,叶片工作面与后盖板交线的等效应力曲线变化规律复杂, 说明工作面的后盖板边界受力极为不均;叶片进口等效应力依然最小,为1.3kPa;此后等效应力迅速曲线上升,在0.25及0.4附近出现两个最大峰值,最大值均为6.5kPa左右;随后曲线在0.63处等效应力又达到局部极小值,为3.1kPa;接着等效应力又增大,到0.81附近时出现了一个局部极大值,为4.7 kPa;之后曲线呈下降趋势,到叶片出口时等效应力已降到3.2 kPa;整个曲线的规律与图7(e)中等效应力分布相同。

从叶片背面与前盖板交线处等效应力曲线可知,从叶片进口开始等效应力迅速增加,在0.19附近达到一个局部极大值, 大小为5.2kPa;此后效应力曲线变化比较平坦,在0.7附近等效应力达到最大值7.3kPa,这与图7(f)中的等效应力分布规律相同;接着等效应力逐步降低,到叶片出口处时等效应力已降为4.1kPa。

从叶片背面与后盖板交线的等效应力曲线可以看出,从叶片进口到出口等效应力变化规律复杂,呈现出反复脉动的规律;在0.27至0.33区域内等效应力达到最大值,为5.1kPa左右;在0.07、0.73和0.87处等效应力均出现了局部极大峰值; 在0、0.13、0.47、0.8和0.93处等效应力均出现了局部极小值;0处的等效应力最小,为1.6kPa,而0与0.07之间的等效应力变化梯度则最大。

整体看,叶片工作面两个边界的最大等效应力均不在叶片出口处,前盖板边界的最大等效应力位置较为接近出口,后盖板边界的最大等效应力较为接近进口;叶片工作面两个边界的平均等效应力基本相同。虽然叶片背面两个边界的等效应力基本变化规律前盖板边界基本相同。

图10给出的是叶片工作面出口边及叶片背面出口边等效应力变化曲线,图中横坐标含义同图9。由图可知,叶片工作面出口边等效应力曲线呈抛物线分布,在0.29位置达到最大值7.9kPa;等效应力从0处的4.8kPa先逐步增大,到0.29位置后又逐步减小,到后盖板达到最小值2.9kPa;整个区间内等效应力变化梯度较小。叶片背面出口边等效应力变化较为平坦,等效应力梯度较小,最大值与最小值之差仅为0.9kPa,最大值出现在0.6处,最小值出现在0.9处。

整体分析关死工况下叶片工作面出口边受到的流动冲击更大。

4结语

(1)叶轮结构变形分析表明叶轮前后盖板上,离隔舌越远其位移变形量越小。

(2)叶轮前后盖板的等效应力分布基本相同,越靠近隔舌处等效应力最大,且后盖板平均等效应力要大于前盖板的等效应力。

(3)叶片表面最小等效应力出现在叶片进口处,最大等效应力则出现在各叶片与前盖板交界靠近出口附近处;叶片背面的最大等效应力要略大于工作面的最大等效应力。

(4)各叶片中,即将经过隔舌的叶片的平均等效应力最大。

(5)各叶片的位移变形在出口边处达到最大,但叶片工作面与背面的等效应力最大值均不在出口边。

参考文献

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叶轮结构设计 篇9

由涡轮叶轮和压气机叶轮组成的转子是涡轮增压器的核心零部件。涡轮叶轮的强度储备大大高于压气机叶轮的强度储备。涡轮叶轮材料常使用昂贵的K418镍基铸造合金[1],这种材料的密度大大高于压气机叶轮的密度,使得涡轮叶轮与压气机叶轮组成的增压器转子质量分配很不均匀,增压器转子质量分配不够合理。因此,对涡轮叶轮进行结构优化、适当减轻转子的重量是非常必要的。

目前常用的结构优化设计中较实用的是优化准则法与大型有限元分析程序的软件集成化[2]。本文基于APDL 语言,利用ANSYS 的优化设计模块编制用户程序并结合CAD软件UG,对湖南天雁机械有限责任公司的JP60增压器零部件涡轮叶轮进行了结构优化设计,在不改变叶型及流道并保证增压器性能和结构强度的基础上有效地减轻涡轮叶轮重量,减少了材料的消耗,达到节约成本提高经济效益的目的。同时还尽可能地降低了增压器转子的转动惯量,改善了涡轮叶轮与压气机叶轮的质量分配,提高了增压器轴系的机械效率。

1 基于ANSYS 的涡轮叶轮结构模型的建立

1.1 涡轮叶轮有限元模型的建立

JP60增压器涡轮叶轮工作状态受力情况非常复杂,主要是高速旋转的离心力。由于相对整个涡轮叶轮而言,轮毂直径较小,盘体温差不大,因此计算破裂转速时,忽略温差应力的影响,只考虑转子高速旋转的离心力的作用。涡轮叶轮最大直径为55.00mm,压气机叶轮最大直径为62.50mm,涡轮叶轮所用材料为K418铸造合金,其机械性能参数[3]见表1。优化时所受载荷为工程要求的最低破裂转速。对于该型号的增压器,其标定转速为120000~140000r/min,最高可达150000r/min。国内涡轮叶轮安全因数范围为1.4~2,因此本文在优化时取最高转速150000r/min的1.4倍(即210000r/min)作为涡轮叶轮的所受载荷进行优化计算。

图1为增压器涡轮叶轮几何模型。增压器涡轮叶轮型面结构都非常复杂,其结构具有周期对称性,所承受的载荷和约束也具有周期对称性。为保证涡轮叶根处计算值的准确,用半径为5mm的圆柱面将涡轮叶轮分为2部分:叶片部分由UG建模导入ANSYS,其余部分为优化部分,在ANSYS中用APDL建模。优化的有限元计算模型采用1个周期,三维Solide92等参单元,自由网格划分(图1)。轮背摩擦焊端施加轴向约束,并施加离心体载荷。图2为扩展后的涡轮叶轮有限元网格。

1.2 涡轮叶轮结构优化数学模型

考虑到增压器性能及涡轮叶轮与轴的摩擦焊工艺,结构优化时保留叶型及流道结构不变,只对外端轴心处进行优化。拓扑优化的计算表明,涡轮叶轮轴心处单元伪密度最小。因此采用切掉涡轮叶轮装配的外六方并向轴心凹进的方案,初始优化的设计变量如图3所示。优化时对其基本尺寸半径R和深度L进行最优化:通过优化设计确定在满足给定强度条件下R、L的变化范围分别是: R∈(3, 5);L∈(5, 9);初值分别为R=3mm,L=5mm。

涡轮叶轮破裂转速的数值分析表明,在不同离心力作用下涡轮叶轮的最大等效应力均发生在叶根处。而轴心孔几何参数的大小会引起轮毂的变形,进而对叶根处的应力产生影响。因此,优化设计的约束条件选择为整个模型的最大等效应力MX(即最大von Mises 应力)作为约束条件。以涡轮叶轮的重量WT最小为目标函数。涡轮叶轮减重结构优化数学模型如下:

目标函数:WT=f(X)→min (1)

设计变量:X== (2)

3mm≤R≤5mm

5mm≤L≤9mm

状态变量:MX≤995.6MPa (3)

式中,f(X)为涡轮叶轮的重量WT。

2 优化结果与分析

采用一阶优化方法,将目标函数的允许误差定为0.1kg,共进行了29次优化循环,迭代后由于满足收敛条件而退出,加上初值,共获得30组数据,优化结果见表2。

从表2可知,虽然ANSYS分析得到的最优组数据的约束条件MX稍超过最大值被认为可取,但下一次迭代就被认为不可行。这主要是受到精度的限制,因为如果精度要求过高,计算时间会延长,同时由于考虑到结构的总质量要最小,使得规定的位移上限值偏小,所以约束条件MX最大值才会超过极限值。但是从表2可以看到除了第2组数据外各约束条件都满足了设计要求,所以整个优化分析计算是合理的。由表2还可以看出,优化次数在第21次时优化对象数据的值已基本稳定。由当量应力随迭代次数的变化情况可以看出,按最优设计参数设计的涡轮叶轮当量应力为994.5MPa,小于给定的约束值995.6MPa,可知当量应力基本为恒值,趋于稳定。SET 20 为最优组数据,设计时可取第20组数据作为最优设计参数。

3 减重结构强度校核及寿命分析

前述优化时取最高转速150000r/min的1.4倍(即210000r/min)作为涡轮叶轮的所受载荷,按照破裂准则进行的优化计算,因此还需对优化结构进行强度校核和寿命分析。对减重优化前后的结构在最大标定转速140000r/min工况下,计算了涡轮叶轮的应力分布状况。计算结果表明在转速下优化前后的涡轮叶轮应力分布基本一致,最大等效应力均发生在叶根处,且存在应力集中现象。优化前后的最大等效应力分别为 534.3MPa、546.4MPa。所不同的是优化后的涡轮叶轮在减重孔轴心处应力较优化前增大,为338MPa。由于该处为球面,因此并未出现应力集中。计算所得最大等效应力及应力集中系数见表4。其中名义应力是与最大等效应力等半径的所有节点等效应力的平均值。

在工作转速140000r/min 的条件下,安全系数用屈服强度计算,k=σb/σmax(σb为屈服强度,σmax为最大等效应力),优化前后的涡轮叶轮安全系数分别为1.45和1.42。结果表明,两种结构的涡轮叶轮最大等效应力均小于屈服强度。由于其重量减轻引起应力水平的改善,可以抵消其绝对强度的不足,减重优化后的涡轮叶轮在强度性能上可以满足要求。

在最大标定转速140000r/min 下,涡轮叶轮为有限寿命设计,疲劳失效分析的安全因子为[4]

undefined

式中,ε为尺寸因素;β为表面质量因素;σ-1为疲劳强度;K为有效应力集中系数;σmax为最大等效应力;m为材料常数;N0为疲劳强度应力循环次数;ni为设计应力循环次数。

减重优化前后涡轮叶轮,ε、β、σ-1、m 均相同,假设N0和ni相同,根据疲劳失效安全因子表达式及表4数据,可得优化后涡轮叶轮疲劳失效安全因子

n′σ=0.9804nσ

与原结构相比,减重优化后的涡轮叶轮疲劳失效安全因子仅降低了1.96%,这表明减重优化结果满足疲劳寿命的使用要求。

4 涡轮叶轮减重方案的最终确定

从优化结果可得到设计参数R随最大当量应力变化曲线如图4所示。图5为最大当量应力随设计参数L的变化曲线。

从图4、图5中设计参数R、L随最大当量应力变化曲线可知,设计变量R达到给定约束的上限值5mm,而设计变量L对约束条件较为敏感,最优值为5.59mm。继续增大将引起叶根处等效应力的增大而超过约束值995.6MPa。表4列出了涡轮叶轮最优化结果及调整方案,并作为减重优化后涡轮叶轮铸造的依据。

考虑到涡轮叶轮装配需要,在优化方案中将凹孔外端改为内六方,方案的改动对涡轮叶轮最大等效应力的影响很小。同时,为了满足涡轮叶轮动平衡时的去重需要,将设计参数R由最优值5mm减小为4mm,结构示意图如图6所示。最终方案使得涡轮叶轮重量由原来的255g减小到237.40g,减小了6.9%,且对涡轮叶轮的铸造工艺改动不大,有利于工程实际的应用。但是,涡轮叶轮转动惯量从17214.07g·mm2降低到17075.13g·mm2,减少了0.81%,效果不是很明显。

5 结论

(1) 将有限元分析和结构优化方法相结合,是增压器零部件设计的一个重要途径。本文中的优化对象为较小型号的涡轮叶轮,优化的最后方案使得涡轮叶轮重量减少了6.9%。对于其它不同型号的涡轮叶轮,节省材料的效果将会更加明显,具有一定的经济效益。

(2) 涡轮叶轮重量的降低减少了涡轮叶轮与压气机叶轮的重量差,改善了涡轮叶轮与压气机质量分配,有利于提高增压器轴系的效率和可靠性。

(3) 涡轮叶轮转动惯量从17214.07g·mm2降低到17075.13g·mm2,减少了0.81%,效果不明显。

参考文献

[1]朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器[M].大同:兵器工业第七2研究所,1997.

[2]孙国正.优化设计及应用[M].北京:人民交通出版社,1992.

[3]徐自立.高温金属材料的性能、强度设计及工程应用[M].北京:北京化学工业出版社,2005.

叶轮结构设计 篇10

我们为参加机械创新设计大赛设计了一种风能送料装置。该项目从低碳环保的理念出发旨在培养学生的创新能力、团队意识及职业技能等,并为企业输送高技能的急需人才培养提供了很好的锻炼机会。设计方案具体如下:风能经过叶轮及皮带轮1∶2降速、锥齿盘换向及1∶4降速,带动2个连杆、推杆交替顶出物料,物料尺寸准25×10mm,材质为塑料。顶杆作直线往复运动,行程范围30～50mm,同时计数器将推出物料个数记录。

该装置动力源采用风能,没有储能装置,大赛的要求是叶轮在4～5级风下,能以最快速度推料。由于风力较不稳定,容易造成推料过程忽快忽慢或停滞,因此叶轮的设计就显得尤为重要。

1.锥齿盘2.带轮3.叶轮4.料仓5.光电开关6.物料7.连杆8.推杆9.计数器

2叶轮设计

该装置的三维装配图如图1所示。

本装置的叶轮设计没有先例可借鉴,更没有成型的产品,完全是创新性设计,而且要求设计周期只有7天,时间紧、任务急、难度大。经过反复研究和论证,叶轮设计基本参照小型风力发电机叶轮,再根据自己的分析、计算、论证来修调。

基本步骤:收集资料→设计→论证、修调→试切→修调→加工完成。

2.1 设计理念

使叶轮转动起来后形成叠加涡系来加速、整流、均匀化,进而提高空气动力效率,使推料过程稳定、有效。依据经典的Glauert(格劳特)涡流理论,数学模型如下:

式中,Cl为叶轮截面翼型升力系数,b为叶轮数,l为叶轮截面弦长,r为本截面所在叶轮径向坐标,k为中间变量,φ为叶轮旋转面与当地气流的夹角,ε为叶轮翼型气动特性的升力线角。

2.2 设计要点

(1)翼型选择

叶轮直径在φ250mm左右,查《翼型手册》,初选NACA63-412翼型。

(2)叶轮各截面弦长及扭转角确定

叶轮各截面弦长及扭转角是叶轮设计的两个很重要参数,决定了叶轮的基本性能。假定叶轮最佳运行工况为风速8m/s,根据Glauert(格劳特)涡流理论计算弦长如表1。

根据表1数据画出叶轮基本形状,再缩小修正使叶轮根部弦长为5mm,尖部弦长为3mm,失风区的弦长尽量短一些,可以减少噪音。

叶轮扭转角的计算公式:θ=tan-1[VZJ/(rΩ)]-αZJ+θj

式中,VZJ为当地最佳风速,αZJ为各截面翼型最佳升阻比下的气动攻角,θj为保证叶轮尖部扭转角为零而设置的常数,计算后数据见表1。根据经验,叶轮扭转角为16°时,叶轮性能最佳,对表1数据进行优化,初始扭转角选16°,依次为:11°、8°、6°、6°、2.5°、1.5°、0.5°、0°。

2.3 叶轮其它参数确定

叶轮厚度渐变。厚度渐变可以使叶轮下方的气流旋转速度比上方增大到2倍,以利于形成涡系。但渐变不可过大,否则轴向推力过大,易损坏叶轮使其折断。相对厚度分别取15%、12%、11%、9%。

叶片数量。风力发电机的3叶片叶轮在风速6m/s时最佳(4级)(叶轮直径2m);12叶片叶轮在风速16m/s时最佳(7级)(叶轮直径15m);为防止气动干扰,本装置选择5叶片叶轮。

叶轮粗糙度。叶轮上下表面粗糙度若不同,可提高升阻比,进而提高叶轮效率;但不可相差太大,会影响精度,出现扰动。

根据以上的选定,画出叶轮的三维图如图1所示。由于数控设备原因,该叶轮在加工时产生了多处过切点,无法加工成型。重新对以上参数进行修正,用CAXA造型得到如图2所示的可加工叶轮。

3 叶轮加工

整体叶轮一直都是数控加工的一个难点,目前极少数采用4轴及5轴数控机床联动加工,大部分还是采用3轴数控铣床加工。由于我们现有设备的局限性,只能采用传统的球头铣刀在三轴普通数控铣床上加工完成。

3.1 轮毂加工

叶轮由轮毂和叶片两部分组成。轮毂部分加工主要是去除大部分余量,使外形更接近成品,同时,加工出定位基准面,为下一道工序作准备,具体内容见图3的工艺过程卡片。

3.2 叶片加工中专用夹具的设计

叶轮5个叶片的加工是通过单面加工再翻面加工实现的,为了保证单个叶片加工的完整性和精度,正面与翻面加工的起始点必须绝对一致,这单独依赖人为对刀是不能保证的,因此我们设计了一种专用夹具如图4所示。

如图3中第二道工序的1～3工步加工定位槽即是为第4工步专用夹具定位作准备,而5～6工步都是利用如图4 的专用夹具定位的。叶轮通过的内孔与夹具的外圆配合,叶轮的深4mm、宽16mm的定位槽与夹具的小凸台紧密配合,形成三面一长孔的定位方式,6个自由度被全部限制,端部通过夹具的螺母锁紧,定位准确可靠,充分保证了叶片加工的精准性。铣削工序内容具体见图5的工序卡片。

运用CAXA软件造型后生成加工轨迹。CAXA制造工程师是一款面向教学和加工,非常实用于数控车、铣及加工中心的全中文三维CAD/CAM软件。根据对实际加工的可行性、切削参数、刀具材料等综合因素考虑,我们只生成了一个叶片的加工轨迹,其它叶片采用分度铣削的方法进行,叶轮加工实物图如图6所示。

4 试验

将叶轮与其它零部件按照图1所示装配、调试好,进行试验。在4、5、6级三种风速下,分别将装置放置在风口区和任意位置,叶轮运转良好,转速稳定,推料正常。在4级以下风速,将装置固定在客货车顶中心线位置,匀速迎风行驶,叶轮运转正常。通过以上试验得出结论,在4～6级风速下,叶轮运转正常,转速随风速变化;在7级以上风速的叶轮运转情况有待进一步研究。

5 结语

通过本项目的制作,不但锻炼了师生动手实践能力、培养了团队协作意识,同时为培养高素质、高技能型创新应用人才提供了很好的平台。

本项目中叶轮的设计、加工、调试没有任何先例,整个团队运用科学的知识和熟练地加工技能,不断地探索完成,最后在比赛中取得了二等奖的好成绩。也为该产品的今后设计和加工起到很好的引领作用。

参考文献

[1]邓兴勇,陈云程.风力发电机叶轮的数值优化设计法[J].工程热物理学报,1999(1):45-48.

叶轮结构设计 篇11

我公司承制的用于某核电站5、6号机组冷却水泵双面小叶轮，材质为Z6CNU17-04，采用铸造工艺制造，一旦发现铸造缺陷，将采用补焊的方法进行修复，根据客户技术条件及RCC-M M3208标准，补焊前需进行焊接工艺评定，来确定合理的补焊工艺规程。

1技术准备

（1）熟悉客户技术条件及RCC-M M3208材料标准要求；

（2）按照RCC-M S3570准备焊接工艺评定技术文件，明确焊评试件形式及母材厚度；

（3）确定焊接方法，采用焊条电弧焊，焊前预热及焊后热处理工艺。

2焊接工艺评定及检验

2.1母材及焊接材料

采用同材质母材Z6CNU17-04进行评定，母材状态为：固溶+调质+时效。制备1 200 mm×200 mm×30 mm的试板2块，对接焊缝，横焊位置，坡口角度 60°±5°，钝边 2±0.5 mm，根部间隙 2～4 mm。

焊接材料选择的原则是：所选焊材要与母材的膨胀系数尽量匹配；尽可能选择与母材化学成分相似的材质；尽可能选择与母材力学性能相近似材质；宜选择低氢型焊条，以减少扩散氢含量和降低冷裂纹敏感性。结合上述原则，选择AWS5.4 E630-15低氢型焊条，焊前经300～350℃烘焙1～1.5 h。

2.2焊前预热

Z6CNU17-04属于欧标牌号，含铜2.5%～3.5%的沉淀硬化马氏体不锈钢。此类马氏体钢热导率低，易过热，焊接时，焊缝金属和热影响区容易产生粗大组织，引起脆性提高，焊接性差。另外，在过热及冷却速度较小的情况下，焊接热影响区会出现粗大的铁素体及晶界碳化物，降低焊接接头的塑性、韧性和耐腐蚀性。因此，采用合适的焊接工艺来改善焊缝金属及热影响区的淬硬性尤为重要，如焊前预热、焊后热处理等可大大改善焊接接头的力学性能。

根据经验及相关资料，预热温度选择在250～300℃为宜。

2.3焊接工艺

试件焊接位置为横焊，焊接时，按照预焊接工艺规程p-WPS进行焊接，焊接工艺参数如表1所示。

24焊后热处理

根据马氏体钢Z6CNU17-04组织性能，选择了3种热处理工艺进行试验，分别是：（580±10）℃×6 h，（600±10）℃×6 h和（620±10）℃×6 h。

从焊接试件上切取3个试块，在三种热处理工艺下分别进行热处理，热处理后进行硬度测试，结果如表2所示。

2.5焊缝检验

（1）焊缝外观检查：焊接后按照RCCM S3300的要求，对焊缝内外表面进行了目视检验和尺寸检验。未发现有咬边、凹坑、表面气孔、裂纹及焊瘤等缺陷，满足RCCM S3300的要求。

（2）焊缝射线检验：满焊后按照RCCM MC3300的规定对焊缝进行射线探伤。探伤结果均为Ⅰ级，满足RCCM S7714.3的规定。

3组织及性能分析

3.1接头组织分析

按RCC-M S3300规定对宏观试样进行酸蚀，焊接区域无未焊透、气孔、夹渣、未熔合及裂纹等缺陷。在显微镜下观察焊缝根部、熔敷金属、熔合线等区域，结果如图1所示，微观组织为板条状回火马氏体组织，未见沉淀物。图1焊缝、热影响区微观组织图

3.2力学性能及化学成分分析

对熔敷金属进行常温纵向拉伸试验及焊缝横向全厚度拉伸试验（室温）、弯曲试验、冲击试验（焊缝、热影响区及母材），试验结果如表3所示。熔敷金属化学成分如表4所示。

使用该焊接工艺进行Z6CNU17-04叶轮补焊修复后，经无损检测，没有发现焊接缺陷，硬度测定结果符合客户双面小叶轮技术条件及标准要求。产品已交付使用3年，目前没有发现任何问题。

叶轮结构设计 篇12

随着对大型空分设备的需求增加, 对与之配套的大型离心式原料空气压缩机的需求也日益迫切。因此, 不断开发大流量产品, 进一步研究三元流动理论, 将其应用到叶轮和叶片扩压器等元件的设计中, 以期达到高效机组, 成为离心式压缩机的发展趋势。

本文根据离心式压缩机原理及三元流动理论, 采用Concepts NREC中CCAD三维造型模块, 对叶轮3D进行几何设计和通流分析, 成功设计出90°出口径向叶轮, 用在标态流量115 000Nm3/h的离心空压机。

2 设计参数及结构选择

流量 (干燥) :115 000Nm3/h;进口压力:93KPa (A) ;进口温度:32℃;相对湿度:71%;排气压力:0.51MPa (G) ;排气温度<100℃;调节范围:75~105%。

我们通过对现有所掌握的相关产品进行比较分析, 针对目前自身的加工能力, 合理地进行了结构方面的改进。为保证气量要求, 一级叶轮采用了90°出口径向叶轮, 扩压器采用无叶片扩压器。

3 应用NREC软件设计叶轮

3.1 叶轮结构参数

根据热力气体动能热力计算, 得出叶轮的结构参数, 见表1。

3.2 叶轮形式选择

大流量, 直接反映到出口宽度的增加, 而过大的宽度, 会使通道扩压度增大, 增加分离损失, 级效率降低。同时也会使高圆周速度的叶轮、叶片和铆钉, 出现应力过大的现象。鉴于此, Ⅰ级叶轮选择了90°出口角的径向叶片式叶轮, 能获得较大的流量系数, 减少了出口宽度, 同时减小出口相对宽度 (在一般压缩机中, 叶轮的出口相对宽度b2/D2<0.075, 对于三元叶轮, 其值可以提高至0.12左右[1]) 。后三级均采用高效的后弯叶片式叶轮, 因其叶道比较长, 叶片弯曲度较小, 叶道截面积逐渐增大, 即叶道的扩压度和当量扩张角小, 不容易超过许可值, 这样气体在叶道中流动时, 就不容易产生边界层的分离, 故效率较高。

3.3 NREC设计叶轮

(1) 叶轮子午面的初步设定。按照3.1叶轮结构参数, 输入进出口的边界条件 (图1) 。子午面形状主要受5个参数影响:叶轮进口相对直径D0/D2;轮毂比d/D2;叶片进口相对直径D1/D2;速度系数Kc;轮盖进口段的曲率。前四个参数在气动计算时已经确定, 这里主要调节轮盖进口的曲率来提高能量头系数、级效率及改善叶片载荷, 如图2所示。通过调节轮盖轮廓线上的点, 来改变轮盖进口的曲率。

(2) 叶片β角。β角表示叶轮气流相对速度的方向, 也即是相对速度与圆周速度反方向间的夹角。叶片型线设计中重要的一个方法就是控制载荷法[2], 控制载荷分布也就是控制叶片表面的速度分布。根据速度分布, 可以得出气流角βav的变化规律, 从而决定叶片几何角β。NREC中 (图3) 由控制点来调节叶片β角, 改善叶片载荷。

(3) 叶片载荷。NREC中叶片载荷被定义为Δw/w軍, Δw为叶片工作面和非工作面之间的速度差, w軍为工作面和非工作面速度的平均值, 其比值决定于:叶片轮廓、β角分布、两叶片间距、叶片数、叶片厚度。当叶片载荷大于1时, 会出现分离现象, 且随着其值的增大, 分离点位置将由叶轮出口截面向进口截面移动。所以调节时, 应将叶片载荷控制在1以下。

(4) 分流叶片。为了改善叶道内部的流动特性, 叶轮全设计为具有空间型叶片的三元叶轮。为了降低入口处的气流速度, 降低摩擦阻力损失, 获得较好的性能, 叶轮采用分流叶片[3]。如图5设定分流叶片起始位置、叶片厚度等参数。

(5) 三维叶轮造型。图6为三维叶轮造型, 是跟随着相关参数的调整而变动, 能清楚地看到叶片的形状、大致的进出口角度等。

(7) 性能曲线。图7给出的是叶轮的气动性能运行曲线与NREC软件计算的性能曲线。从运行结果可以看出, 叶轮在工作点的参数达到了设计要求, 并与理论计算结果吻合较好。

4 结论

(1) 本文通过调整轮盖轮廓和叶片β角, 来控制叶片载荷、叶片圆周速度、冲角。

(2) 加工修正。待轮盖点调整到合适位置, 把点坐标输入到CAD上, 用平滑曲线将这些点连接。然后用直线和圆弧靠近这条曲线, 偏差控制在0.1mm。这条曲线则被直线和圆弧连成的线代替, 且曲线上的点一一对应到新生成的线上。再把转化后的点返到NREC的CCAD中, 重新核对叶片载荷、圆周速度等是否在合理范围内。

(3) CCAD调整轮盖轮廓线是个反复推敲的过程, 一个方案往往需要很多次的调整和比对。如图8所示的是五个方案的轮盖轮廓线, 序号后面的数字代表的是叶片载荷最大值, 其值需要控制在1.00以内, 本文选择的是第三种方案。

(4) β角的调整, 本文是按照“平滑过渡”的原则。

5 结语

应用实例分析, 该空压机自2012年6月份开车成功以来, 一直安全高效运行, 各项性能指标均达标, 轴振动在30μm以内。说明了应用NREC软件设计叶轮的可靠性和准确性, 为进一步开发三万空分配套的大型离心空压机奠定了基础。

参考文献

[1]西安交通大学透平压缩机教研室.离心式压缩机原理[M].北京:机械工业出版社, 1980.

[2]朱报祯, 郭涛.离心压缩机[M].西安:西安交通大学出版社, 1989.