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通過設(shè)備招標(biāo)承接了秦皇島睛綸廠3萬噸/年睛綸裝置中紡絲淋洗塔風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造項(xiàng)目。在這臺通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，我們在強(qiáng)度有限元分析的基礎(chǔ)上，大膽地采用了斜拉板式焊接軸盤葉輪。該通風(fēng)機(jī)于1994年8月投入使用至今，用戶反映良好。這里就其結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度分析作以闡述。
通風(fēng)機(jī)葉輪由輪盤、輪蓋、葉片(18片)、加強(qiáng)筋、斜拉板和軸盤組等六部分組成，材質(zhì)皆為0Cr18Ni9Ti，材料的彈性模量E=2.1xe5N/mmz，泊松比0.3。各組成部分皆為焊接結(jié)構(gòu)。葉輪直徑Dz=-1610mm，工作轉(zhuǎn)速n=1450r/min。
根據(jù)本通風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)要求和制造工藝現(xiàn)狀，我們假設(shè)了三種結(jié)構(gòu)作為葉輪強(qiáng)度計(jì)算模型。
①輪盤與軸盤之間連接無空隙，且焊接為理想狀態(tài)(以下簡稱I型)。
②輪盤底端與軸盤之間稍有空隙，焊接為理想狀態(tài)(以下簡稱II型)。
③輪盤與軸盤底部和側(cè)面之間均稍有空隙，焊接為理想狀態(tài)(以下簡稱III型)。
這三種結(jié)構(gòu)的示意圖列于圖。實(shí)際情況可能介于上述三種情況之間。
本通風(fēng)機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)、載荷和邊界特點(diǎn)為：葉輪具有空間對稱性，載荷以徑向離心載荷為主(忽略葉輪自重和葉片上氣動(dòng)力等)，剛度是靠軸盤底部內(nèi)側(cè)均勻一周固接等。強(qiáng)度分析是在葉輪整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/9加上適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，減少了大量的重復(fù)計(jì)算。計(jì)算模型如圖所示。
根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)共劃分2246個(gè)5類塊體元，546個(gè)7類邊界元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為4241個(gè)(I、II、III型的單元數(shù)相同，而其節(jié)點(diǎn)數(shù)略有不同)。載荷主要考慮1450r/ min對葉輪結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的離心載荷作用。II、III型軸盤與輪盤之間的空隙以空單元來代表。
通過計(jì)算結(jié)果分析可知，上述三種類型計(jì)算模型位移數(shù)值及變形趨勢十分接近，葉輪結(jié)構(gòu)變形趨勢如圖所示。
由圖可知，最大位移集中在葉片進(jìn)口中部，且徑向位移較大。這種結(jié)果與通風(fēng)機(jī)葉輪實(shí)際運(yùn)行狀況是吻合的。
通過應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知：葉輪上應(yīng)力(每個(gè)離散節(jié)點(diǎn)第四強(qiáng)度相當(dāng)應(yīng)力Q-as數(shù)值，以下相同)較大值主要集中在葉片進(jìn)口中部葉片與輪盤、輪蓋、輪盤與軸盤相結(jié)合的少數(shù)區(qū)域。三種模型的應(yīng)力集中區(qū)域上的趨勢十分吻合，且數(shù)值相近;但在輪盤與軸盤以三種不同方式結(jié)合的區(qū)域，應(yīng)力數(shù)值相差較大。
(1) I型結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值主要集中在軸盤上部后端焊材區(qū)域。但因軸盤與輪盤為理想結(jié)合狀態(tài)，因此其應(yīng)力值與葉輪整個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力值相比不是很大的，且比較平滑。
(2) II型結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值亦主要集中在軸盤上部后端焊材區(qū)域周圍，數(shù)值明顯比I型結(jié)構(gòu)增大，且應(yīng)力數(shù)值較大值集中在一個(gè)較小區(qū)域。
(3) III型結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值主要作用于軸盤上半部后周向焊材處，其應(yīng)力集中在一個(gè)狹小區(qū)域內(nèi)。
(4)葉片及與輪盤、輪蓋相結(jié)合區(qū)域的應(yīng)力值如表所示。
通過前面四種情況的應(yīng)力分析得知：通風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大值主要集中于葉片與輪盤、輪蓋相結(jié)合的區(qū)域，其最大Q-as應(yīng)力值均未超出該種材料流動(dòng)破壞的許用應(yīng)力值滿足設(shè)計(jì)要求。
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