1、離心通風(fēng)機(jī)剛度計(jì)算方法離心通風(fēng)機(jī)剛度計(jì)算方法楊朝剛劉軍/南通金通靈風(fēng)機(jī)有限公司摘要:提出了一種適用于離心通風(fēng)機(jī)葉輪剛度計(jì)算及其校核的工程計(jì)算方法,為葉輪剛度的安全設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:離心式通風(fēng)機(jī)葉輪剛度計(jì)算中圖分類號(hào):TH432文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1006-8155(2006)02-0019-04CalculatingMethodforRigidityofCentrifugalAbstract:Thisarticleputsforwarden2gineeringcalculationrectingimpelleralsoprovidesaofimpellerrigidity.Keywo

2、rdsfanImpellerRigidityCalcu2lating一個(gè)項(xiàng)目。但目前筆者能查閱到的只是在文獻(xiàn)1中提到的剛度校核公式,而實(shí)際應(yīng)用時(shí),卻發(fā)現(xiàn)還有一些問(wèn)題無(wú)法解決:一是該公式?jīng)]有推導(dǎo)過(guò)程。因而,;二是具體變形,;三是,設(shè)計(jì)成,因?yàn)椴恢廊~片。1概述離心通風(fēng)機(jī)葉輪由于剛度差而導(dǎo)致失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。其機(jī)理為葉片受離心力作用而彎曲變形,且各葉片彎曲變形的程度又不可能完全相同,因而使平衡遭到破壞,以致于最后失效。尤其是寬徑比比較大的風(fēng)機(jī),如4-73、4-60、6-40等,在高圓周速度條件下,這個(gè)問(wèn)題就更為突出。此外,在實(shí)際工作中,還會(huì)經(jīng)常遇到為解決耐磨問(wèn)題而將4-73的機(jī)翼型葉片改為板式葉

3、片的情況,顯然,其剛度會(huì)明顯下降。為此,通常采用增加副前盤的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行解決,如圖1所示;但在何種條件下加副前盤以及設(shè)計(jì)成何種形式的副前盤,則依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。然而,是否成功則需要在試驗(yàn)臺(tái)或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考核。因此,在設(shè)計(jì)階段對(duì)離心通風(fēng)機(jī)葉輪的剛度進(jìn)行計(jì)算是很有必要的,也是必須得完成的圖1因此,確定適用的離心通風(fēng)機(jī)剛度的工程計(jì)算方法,對(duì)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、工藝和生產(chǎn)有重要作用。2計(jì)算模型的建立離心通風(fēng)機(jī)葉輪由前盤、葉片、后盤或中盤,焊接或鉚接而成。多數(shù)葉輪的前盤均有鍛件或鉚焊件進(jìn)口圈,而且部分葉輪的前盤在靠近外緣部位還焊接有多種形式的調(diào)頻環(huán)以加強(qiáng)其剛性;而后盤或中盤一般厚度較大(不少葉輪后盤或中盤還有鍛

4、件輻板或焊接輻板),用螺栓與鑄件輪轂或主軸聯(lián)接。因此,就風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)而言,前盤和后盤或中盤的剛性較強(qiáng),而葉片的剛性收稿日期:2005-11-16南通市22600119風(fēng)機(jī)技術(shù)2006年第2期/設(shè)計(jì)計(jì)算相對(duì)較弱,葉輪剛性問(wèn)題也就表現(xiàn)為葉片的剛性問(wèn)題。所以,在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中,保證了葉片的剛度也就保證了整個(gè)離心葉輪的剛度。對(duì)葉片的受力情況進(jìn)行初步分析:與葉片自身離心力相比,其受到的氣動(dòng)力的數(shù)量級(jí)太小,在計(jì)算剛度時(shí)可忽略不計(jì)。因此,應(yīng)主要考慮葉片離心力的影響。沿著葉片型線從進(jìn)口到出口邊,由于半徑和方向的變化,其離心力的大小和方向也在變化,不可否認(rèn),其變形量的大小也會(huì)隨著半徑的不同而變化,即其變

5、形不是均勻的;但沿著葉輪軸向方向,可以認(rèn)為其沿葉片寬度方向受均布載荷。也就是說(shuō),可以把葉片看成沿葉片寬度方向受均布載荷的固定梁(如焊接葉輪)或簡(jiǎn)支梁(如鉚接葉輪),這是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。圖3設(shè)材質(zhì)的彈性模量為E,微元的慣性矩為I。分析圖3,顯然,MA=MB,RA=RB=0.5qL,其最大變形發(fā)生在0.5L處;并且邊界約束條件為在x=0或x=L時(shí),f=0,需,34和圖6三個(gè)模,于是:=f1+f2+f3(1)3計(jì)算公式的推導(dǎo)3.1鋼制板式后彎葉片焊接葉輪為了分析不同半徑處葉片的變形量,所示,可取任意一個(gè)葉片,元b,其厚度為,為,n下產(chǎn)生離心力P,該P(yáng)1和P2。沿P2方向,可以忽略P2產(chǎn)生的變形。

6、因此,計(jì)算和控制P1產(chǎn)生的變形則是主要矛盾。作為均布載荷,若P1=qL,則該微元就可簡(jiǎn)化成如圖3所示的受均布載荷的固定梁模型。(f)B=(f1)B+(f2)B+(f3)B(1)受均布載荷q的懸臂梁(見(jiàn)圖4)(1a)fmax=(f1)0.5L+(f2)0.5L+(f3)0.5L(1b)圖4其變形曲線方程為f1(x2-4Lx+6L2)=24EI(2)在B點(diǎn),其變形量為(f1)圖2B=8EIqL4(2a)在材質(zhì)具有連續(xù)性、均勻性、各向同性和變形控制在彈性變形范圍內(nèi)的假設(shè)下,上述計(jì)算模型就把葉輪的剛度問(wèn)題轉(zhuǎn)化成求解該微元的最大變形并控制該變形量的問(wèn)題。在0.5L點(diǎn),其變形量為4(f1)0.5L=(2b

7、)qL384EI(2)受集中載荷RB的懸臂梁(見(jiàn)圖5)其變形曲線方程為f2(3L-x)L=-12EI(3)20離心通風(fēng)機(jī)剛度計(jì)算方法將分布載荷q=P1/L=(Psin)/L=2(2RbLsin)/L=Rbsin和微元的慣性矩3I=b/12,以及彈性模量E=2.061011(Pa)和n/60(1/鋼的密度=7.85103(kg/m3),=2rad)代入式(6),則得出在葉片上任意半徑R處的最大變形量為fmax=k圖5224(7)在B點(diǎn),其變形量為(f1)B=-6EI式中,常數(shù)k=1.305910-11(4)葉輪剛度的校核顯然,式(7)可以計(jì)算葉片上任意半徑R處的最大變形量,從而為變形量的控制提供

8、了依據(jù)。qL4(3a)在0.5L點(diǎn),其變形量為4qL96EI(3)受彎矩MB的懸臂梁(見(jiàn)圖6)(f2)0.5L=-(3b)筆者認(rèn)為,只要把葉輪葉片變形量控制在允許值范圍內(nèi),就可以保證剛性安全,24(8)kL2(9)相比之下,式(9)在使用時(shí)比式(8)更方便一些。在具體計(jì)算中,原則上只需要校核葉片進(jìn)、出口和中部3個(gè)半徑處的剛度,就可以了解和掌握223L圖6整個(gè)葉輪的剛度情況,因而副前盤的形式也由此確定。3.2鋼制機(jī)翼型葉片的焊接式葉輪式(6)也適用于鋼制機(jī)翼型葉片的焊接式葉輪。設(shè)葉片質(zhì)量為m,重心所在半徑為Rc,對(duì)應(yīng)的葉片寬度為L(zhǎng),葉片離心力為P,且P又可分解成沿葉片的法向力P1和切向力P2,而

9、P與P2夾角為;又將機(jī)翼型葉片截面簡(jiǎn)化為橢圓(忽略葉片加強(qiáng)筋板對(duì)剛性的有利因素),其中:外橢圓短半徑a1,內(nèi)橢圓短半徑a2,外橢圓長(zhǎng)半徑b1,內(nèi)橢2其變形曲線方程為f3Mx2=2EI=2EI2(4)在B點(diǎn),其變形量為(f3)B(4a)在0.5L點(diǎn),其變形量為(f3)0.5L=8EI圓長(zhǎng)半徑b2。于是,橢圓截面的慣性矩I=(a31b1(4b)-a3/4。2b2)根據(jù)式(1a)和已知界條件x=L,(f)B=0,可以求出MB,則MA=MB=212(5)將分布載荷q=P1/L=(Psin)/L=(2Rcmsin)/L和其慣性矩I,以及彈性模量E=2.06n/60(1/rad)代入式(6),1011(N

10、/m2)和=2則得出在葉片重心半徑Rc處的最大變形量為fmax=k3a31b1-a2b22又根據(jù)式(1b)求出在x=0.5L時(shí),圖3中的最大變形量為fmax=4(10)384EI(6)(下轉(zhuǎn)第26頁(yè))21風(fēng)機(jī)技術(shù)2006年第2期/制造工藝有陶瓷碎裂脫落外,其余部位的陶瓷磨損非常輕微,平均磨損厚度還不到0.1mm。檢查陶瓷脫落部位時(shí)發(fā)現(xiàn),脫落部位的周邊陶瓷都有不同程度的碎裂現(xiàn)象,而且已脫落部位的金屬基體被磨損減薄已達(dá)3mm之多。經(jīng)分析,初步認(rèn)定陶瓷脫落的原因是受到外力的沖擊所致。而且根據(jù)脫落部位的金屬葉片磨損情況來(lái)看,該部位的陶瓷脫落可能發(fā)生于葉輪投運(yùn)初期,可能是由于檢修過(guò)程中留下的雜物如焊條頭

11、等造成的。由于陶瓷的脫落并沒(méi)有引起風(fēng)機(jī)葉輪的振動(dòng),因此經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修補(bǔ)后,又繼續(xù)投入運(yùn)行。2005年10月大修期間又進(jìn)行了檢查,除了極mm,越靠近葉輪外圓,磨損越嚴(yán)重,平均磨損0.2mm,明顯比中盤輪轂兩側(cè)處磨損嚴(yán)重。這是由于越靠近葉輪的外圓周,氣流流速越大,因而磨損就越嚴(yán)重。與沿氣流方向相比,在沿氣流垂直方向上(進(jìn)口處)的瓷片磨損最為嚴(yán)重,最多陷深達(dá)0.30.5mm。實(shí)際上這也正好符合了陶瓷沖刷機(jī)理,即氣流入射角愈大,磨損愈嚴(yán)重。而且由于接縫處形成的渦流使得沿接縫處金屬基體磨損最為嚴(yán)重,甚至可以把金屬襯板磨穿,使陶瓷完全懸空,造成部分迎風(fēng)接縫處瓷片脫落。6結(jié)論,隨后又對(duì)其余6,。:風(fēng)機(jī)葉輪表面粘

12、貼、有效的耐磨防磨措施,只要施工仔細(xì),嚴(yán)格按照工藝操作,就可以保證陶瓷片不發(fā)生脫落,從而為火力發(fā)電廠的排粉風(fēng)機(jī)葉輪提供了行之有效的耐磨防磨措施。1000;而對(duì)于離心通風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中的變形量指標(biāo),個(gè)別部位有陶瓷碎裂和脫落現(xiàn)象外,其它葉輪上的陶瓷片完好無(wú)損。經(jīng)目測(cè),未發(fā)現(xiàn)有明顯磨損現(xiàn)象,實(shí)測(cè)磨損只有0.10.2mm。在進(jìn)口處的U型瓷片,也只有棱角磨損,平均減少還不到0.5mm。而在陶瓷脫落或磨損部位,隙處,金屬葉片竟有局部磨穿現(xiàn)象,的工作環(huán)境非常惡劣。0.1(上接第21頁(yè))則其葉輪剛度的校核公式為22k33a1b1-a2b2L(11)至今尚未看到有關(guān)權(quán)威報(bào)道。為此,只有根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行類比。從多年生產(chǎn)

13、風(fēng)機(jī)及對(duì)國(guó)外進(jìn)口風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化改造的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,一般選取f/L=1/100就可以滿足安全要求;如果超過(guò)該值,就要采式(10)和式(11)中,k=1.765110-163.3鋼制鉚接式板式葉片葉輪其模型簡(jiǎn)化為受均布載荷的簡(jiǎn)支梁,則邊界約束條件與上述不同;同時(shí),在控制變形量方面應(yīng)同時(shí)控制最大變形量和兩端的轉(zhuǎn)角。但通過(guò)具體推導(dǎo)(此處略),葉輪變形和轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式相當(dāng),則可合并成與式(9)相同的形式,但是k=6.529510-11。取相應(yīng)的增強(qiáng)剛度的措施,如根據(jù)葉片剛性的薄弱環(huán)節(jié),增加不同形式的副前盤。當(dāng)然,也不排除今后通過(guò)大量的工業(yè)實(shí)踐,針對(duì)不同風(fēng)機(jī)或不同使用場(chǎng)合繼續(xù)放寬該指標(biāo)的可能。5結(jié)論根據(jù)對(duì)葉輪葉片剛度