摘要：离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，叶轮作为其主要做功部件需要有较高的旋转速度（2000～10000r/min）。由于叶轮工作环境通常较为恶劣，输运介质或工业大气中的固体颗粒容易被高速运动的气流带动，冲击叶片造成固体颗粒冲蚀。固粒冲蚀磨损会造成葉轮材料损耗流失，进而造成材料破坏或设备失效。针对叶轮机械的冲蚀磨损问题，文章侧重动力学特性进行研究。
关键词：离心式压缩机；叶轮冲蚀；磨损
离心压缩机是一种叶片旋转式叶轮机械，工作介质在高转速旋转的叶片带动下沿叶轮径向甩出。因生产需要，离心压缩机常面临着恶劣的工作环境，运输介质中往往不可避免的混入微小固体颗粒，长期运行过程中对叶轮叶片造成冲蚀磨损，磨损造成叶轮材料流失，进而引发叶轮失效，因此，研究颗粒对离心压缩机叶轮的磨损，并分析磨损损伤叶轮动力特性等的变化，对于了解叶轮冲蚀磨损失效规律和保障压缩机工程价值具有重要意义。
1 计算模型的建立
1.1 叶轮模型和网格划分
叶轮实体模型来源于沈阳鼓风机厂提供的空分压缩机冲蚀磨损失效叶轮，叶轮为三维闭式叶轮，叶片总数为22，其中长、短叶片各11片。对其运行2年后进行检修，发现叶轮的大叶片压力面出口根部发生了严重的材料流失现象，冲蚀减薄严重，小叶片基本没有冲蚀。对叶片实际冲蚀形貌进行测量，并根据叶轮大小叶片型线数据、轮盘轮盖子午面数据，利用三维造型软件Pro/E建立带有磨损损伤的叶轮三维模型。叶轮出口直径918mm，转速6180r/min。叶轮材料为FV520B，FV520B是英国Firth-Vickers材料研究室研究开发的一种沉淀硬化马氏体不锈钢，是制造离心压缩机叶轮的理想材料。
1.2 材料参数和边界条件
在有限元中对叶轮进行模态分析时，由于叶轮模态是其固有属性，当叶轮结构形式确定后，只需要再定义材料密度、弹性模量和泊松比。在本文中，针对特定的离心压缩机叶轮材料，根据提供的材料参数，定义材料密度为7780kg/m3弹性模量1.9X1011Pa，泊松比0.2950。在支撑和载荷施加方面，为了模拟叶轮的实际转动，在叶轮轮毅内圈施加圆柱约束，并将轴向和径向位移约束固定，设置切向位移为自由，以此来模拟叶轮与压缩机主轴的连接情况。另外，由于离心压缩机高速旋转，转速达6180r/min，相对于离心力，重力的影响很小，本文予以忽略。进行模态分析时，由于离心力的作用，会对叶轮产生“刚化效应”，要考虑预应力作用下的模态分析，即要设定叶轮转速。在考虑流固祸合时，认为叶轮叶片变形很小，对流场无影响，进行单相流固祸合分析，即把FLUENT中获得的气动力插值传递到叶轮结构表面上，为考察大叶片后缘局部减薄的影响，还要进行损伤叶轮的模态分析。
1.3 结果分析
单独考虑离心力作用和同时考虑离心力加气动力作用对叶轮固有频率的影响变化规律基本一致，而且在加载离心力的前提下，气动力对叶轮固有频率的影响几乎可以忽略；离心预应力主导了叶轮的“刚化效应”，离心拉应力的作用使得叶轮整体刚度增加，从而使得叶轮固有频率在不同阶次下有不同幅度的提升。当单独考虑气动力作用时，气动载荷对叶轮固有频率的影响趋势不明显，在不同的阶次下使得叶轮固有频率出现不同幅度的升高或降低。为了进一步探讨不同承载条件对叶轮模态的影响，对前12阶固有频率对应的叶轮模态振型进行分析。由于叶轮是循环对称结构，故在某阶次下存在频率相同而相位不同的重频现象，重频时叶轮表现出同一种振型。
2 动力特性分析
2.1 频率分析
（1）对于原始叶轮，加载离心力会使叶轮各阶固有频率有所提升，说明离心力使得叶片出现刚化效应；最大提升幅值出现在第3，4阶模态处，约为3%；其次是第7，8阶模态，增幅为2.5%；（2）加载离心力对于单叶片损伤和所有叶片损伤叶轮的固有频率影响幅度几乎相同，且除第5阶模态以外，各阶次频率增幅均低于同阶次下离心力对原始叶轮的固有频率的影响幅值；对于损伤叶轮，在第6，9和10阶模态下，加载离心力使其固有频率增幅出现了负值，说明在这几阶模态下，相对于刚化效应，叶片因材料流失造成的刚度降低对叶轮固有频率的影响更为显著；（3）叶轮损伤会造成其固有频率有所略有下降，但影响很小，变化幅值基本在0.7%以内，几乎可以忽略不计，只有第6阶模态下固有频率降幅超过了1.5%，第5阶模态下出现了增幅，说明叶轮损伤对这两个阶次下的叶轮动力特性影响较大，可以考虑对其模态振型和共振等加以分析。
2.2 损坏强度分析
（1）原始叶轮大叶片最大等效应力出现在叶轮前缘与轮盖结合处附近，而单个大叶片损伤和所有大叶片损伤的叶轮其损伤大叶片最大等效应力集中在叶片后缘磨损减薄最为严重的部位，说明大叶片根部因冲蚀磨损带来的叶片损伤导致最大等效应力部位向损伤处发生了转移，出现了应力集中现象，应力集中部位沿叶片损伤变形分布，且靠近轮盘结合处更为显著；（2）损伤大叶片处的最大等效应力相对于原始叶轮大叶片最大等效应力有所提升，单个大叶片损伤和所有大叶片损伤的提升幅值分别为7.73%和7.04%，虽然有限元计算会存在捕捉局部个别节点最大应力值而造成安全系数偏低的结果，但是仍应着重考虑可能因磨损损伤带来的材料破坏。
综上所述，（1）一定程度上的叶片冲蚀减薄对叶轮的固有频率影响很小，在离心预应力作用下，叶轮损伤会导致其固有频率略有下降，这主要是因为材料流失造成了叶轮刚度降低。（2）磨损损伤造成大叶片最大等效应力部位向叶片后缘减薄处发生转移，且损伤处出现了应力集中现象，损伤叶片最大变形量提升50%左右，由模拟结果来看，应对实际工况下损伤叶轮的结构强度加以考究。
参考文献：
[1] 徐文汗，李剑峰，刘子武，贾秀杰. 离心压缩机叶轮冲蚀磨损的动力特性研究[J]. 流体机械，2016，09：41-46.
[2] 龚宝龙. 离心压缩机叶轮内湍流及冲蚀磨损特性研究[D] .山东大学，2014.
