[发明专利]一种避免振动局部化发生的离心叶轮优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及叶轮机械振动分析及叶轮机械优化设计领域，具体涉及一种避免振动局部化发生的离心叶轮优化设计方法。

背景技术

离心压缩机作为冶金、建材、电力、石油、化工、环境工程等工业部门的重要设备，应用极其广泛，在国民经济诸多领域中都占有举足轻重的地位。长期以来，大型、高速离心叶轮的振动问题一直影响着风机的安全可靠运行，在运行中一旦出现问题，轻则中断生产，造成经济损失；重则造成设备报废甚至人员伤亡。近些年，随着国民经济的高速发展，机组性能的不断提高，离心压缩机正向着大型化、高速化、高压比等方向发展，这对叶轮的设计及制造的要求就越来越高。

实践证明，传统的静强度设计和经验设计方法已远远满足不了现代工程技术发展的需要，不能保证叶轮等旋转部件运行的安全性及可靠性。由于离心压缩机向大型化方向发展，叶轮尺寸不断增大，必然导致叶轮整体结构刚性减弱，势必加剧了流体对叶轮的激振。另外，由于在焊接加工过程中的制造误差，往往破坏了叶轮这类循环周期对称结构的特性而造成结构失谐，产生叶轮局部化振动，致使某些部位具有较大的动应力，进而导致叶轮发生振动疲劳破坏的事故。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效地解决叶轮运行过程中的振动局部化问题、减少振动局部化造成的危害、降低叶轮运行过程中的故障发生率、能够确保离心叶轮机组安全可靠地长期运行的避免振动局部化发生的叶轮优化设计方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种避免振动局部化发生的离心叶轮优化设计方法，包括以下步骤：

第一步、静强度校核：

首先对叶轮进行静强度计算和可靠性分析，校核其安全性；

第二步、绘出叶轮前若干阶模态的振型图：

对叶轮进行模态分析，提取前若干阶模态，列出各阶固有频率及各阶固有频率对应的振型图；

第三步、分析出叶轮的禁带：

根据第二步中得到的各阶模态的振型图及其频率，分析出叶轮发生振动局部化的那些模态，这些模态对应的频率带即是叶轮的禁带；

第四步、确定激振源的激振频率：

分别求出进口导叶导致的激振力、进口回流器导致的激振力、叶轮出口处叶片导致的激振力的激振频率；

第五步、判断激振频率是否落在禁带之中或者接近禁带：

将第四步所得的激振频率与第三步中确定的频率禁带进行对照，判断激振频率是否落入禁带中或者接近禁带；接近禁带是指第四步所得的激振频率与第三步中确定的频率禁带之中的任一阶禁频频率的隔离裕度小于或等于15％；

第六步、优化叶轮结构，增大禁带隔离裕度以消除失谐的影响：

对于叶轮的激振频率落入禁带中或者接近禁带的情况，为避免振动局部化的发生，需要修改机组结构、叶轮结构或改变激振源的激振频率；同时考虑失谐对叶轮的影响，对于优化之后的叶轮，其隔离裕度需满足以下条件：

|f_i-f₀|/f₀≥25％                                  (3)；

式中：f_i为第i阶模态对应的禁频频率；f₀为激振力的激励频率。

步骤一中进行静强度校核，具体包括以下步骤：当仅考虑离心力的作用时，加载离心力到叶轮静强度计算模型，根据计算结果，求出叶轮最大应力值及该最大应力值对应的最大应力区；考虑叶轮强度安全系数同时，判断最大应力值是否满足材料强度要求，是否满足设计要求。

步骤二中提取前N阶模态；所述N为自然数，25≤N≤40。

振动局部化的那些模态，即振型图中大振幅振动被限制在某一个或几个叶片上或扇区内，而其他叶片或扇区以小振幅振动，同时这些大振幅振动叶片或扇区相对孤立。

步骤六中修改机组结构包括调整进口预旋器叶片数、进口回流器叶片数或修改轮盘结构。