風筒葉片撞擊瞬態(tài)響應的數(shù)值模擬

Numerical Simulation of Transient Response of Duct Blade Impact

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　于亞彬/中國航天科工集團第四總體設計部
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陳 偉/南京航空航天大學能源與動力學院

摘要：應用有限元方法對丟失的失效風機葉片撞擊風筒的非線性瞬態(tài)響應進行了數(shù)值計算研究，模擬了葉片撞擊風筒的過程，分析了撞擊過程中葉片、風筒的變形、應力與能量變化。結果表明：有限元方法能較好地模擬風機葉片丟失后撞擊風筒的過程，該型風機風筒對葉片具有包容性。
關鍵詞：軸流式通風機 風筒 葉片 撞擊 瞬態(tài)響應
中圖分類號：Ｖ232.4 文獻標識碼：Ａ
文章編號:1006-8155(2005)05-0020-04
Abstract: The finite element method is used to calculate the nonlinear transient response when the fan duct impacted by failure blade, the process of impacting duct is simulated, deformation of blade and duct, change of stress and energy during the process of impacting are analyzed. The result shows that the finite element method can simulate the impacting duct process after the fan blade loss. This fan duct can contain blade.
Key words: Axial fan Duct Blade Impact Transient response.

1 引言
　　在風機的使用過程中經常出現(xiàn)葉片由于自身材料和加工缺陷、外物損傷、疲勞、振動以及惡劣的工作環(huán)境等因素造成的葉片斷裂。斷裂的葉片以很高的速度飛出會打傷其它葉片，甚至造成整級葉片全部損壞，而飛出的斷片以較高的速度撞擊風機風筒，同樣會造成嚴重的損傷，甚至擊穿風筒，從而可能損壞地面其他設備和威脅工作人員的生命安全，造成災難性的后果[1～7]。因此，必須得采取預防性的措施來包容所有具有潛在危險情況的高能量葉片。　　另外，合理設計風機風筒，使其在保證風筒包容性的前提下耗材最小、重量最輕，即進行最優(yōu)風筒設計有著重要意義。本文的目的在于在風機設計階段實現(xiàn)較準確的風機葉片撞擊損傷模擬，為新型風機的研制，以及在役風機的改進、排除故障提供設計技術。2 三維非線性有限元方程
　　對非對稱的三維問題，只有采用三維應力波的描述方法才能較真實地模擬高速碰撞過程中應力波的傳播[8]。對兩個高速碰撞接觸物體組成的體系，根據(jù)連續(xù)介質力學原理，該過程必須得保持能量守恒、動量守恒和質量守恒。采用Lagrange描述法，根據(jù)虛功原理，高速碰撞工程中的控制方程為

　　式（1）中各項分別表示單位時間內體系的慣性力、內力和外力的虛功。將式（1）有限元離散化，得到離散方程為

3 本構關系的描述
　　對被沖擊的葉片材料，可采用塑性隨動硬化本構模型[9]。它適用于塑性破壞和高應變率材料的碰撞損傷問題，考慮了材料的應變率，并帶有破壞斷裂模型。該模型的動態(tài)屈服應力為

4 計算分析

　　采用大型非線性有限元程序LS-DYNA作為主要分析工具，對葉片撞擊風機風筒問題進行了數(shù)值計算與分析，計算結果較好地模擬了葉片撞擊風筒的過程。為了簡化問題，假設只有單個葉片撞擊風筒，不考慮其它葉片的影響。施加在飛斷葉片上的速度為折合速度。4.1 計算模型與說明
　　風機風筒內徑為0.908m，厚度為0.004m，進氣方向長0.3m。葉片長0.330m，厚度0.003m。風筒共分32000個單元，主要撞擊區(qū)域進行網(wǎng)格細化，采用實體3D Solid 164以sweep方式劃分有限元模型，模型風筒的一端端面約束。葉片分為350個單元，采用實體3D Solid 164以map方式劃分有限元模型，通過對不同高度葉片節(jié)點的速度施加實現(xiàn)整個葉片速度的分布。葉片轉速為1500r/min，順時針方向轉動，葉片速度分布見圖3，其中ω為葉片角速度，r為對應葉片上不同高度處的旋轉半徑，v(r)為對應葉片旋轉半徑 r 處的切向速度。材料取典型的塑性隨動硬化模型，材料屬性見表1。　　采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA提供的接觸沖擊算法進行葉片撞擊風筒的數(shù)值計算，定義不同部件間的接觸來實現(xiàn)接觸力和能量的傳遞。采用點對面Erode Nodes-Surface的接觸方式定義葉片與風筒的接觸，其中風筒為目標體，葉片為接觸體，從而實現(xiàn)葉片撞擊風筒的模擬；定義葉片自身的面接觸來實現(xiàn)葉片自身的卷曲接觸模擬，其中目標體和接觸體均為葉片。風筒材料失效的有效塑性應變設置為0.3[10]，如果超過這個值，那么就認為單元失效并被刪除.如果沿著某一方向風筒的一排單元失效,那么就表示對葉片的包容失敗。葉片包容性問題的數(shù)值計算研究在國內尚屬首次，為了簡化問題，假設撞擊過程無阻尼、無摩擦。
表1 材料屬性材料彈性模量E/GPa屈服應力σS/MPa泊松比μ密度ρ/（kg/m3）硬化模量ET/GPaZL104A（葉片）692100.3326800.6920（風筒）2113660.28678502.11
4.2 計算結果與分析

4.2.1 風筒葉片撞擊過程分析
　　圖4為風機葉片撞擊風筒過程等效應力時間歷程示意圖。圖5為風機葉片撞擊風筒過程中風筒被撞擊部位的等效應力時間歷程示意圖。由圖4和圖5可知，當t=2.4E-4s時刻，葉片的葉尖撞擊風筒，并發(fā)生卷曲。已經卷曲了的葉片順轉子旋轉方向飛過微小的距離后，用靠近其中心的凸起部位，幾乎是貼著風筒內壁再次撞擊風筒內壁，在t=2.4E-3s時刻，葉片卷曲程度在撞擊過程中進一步加深而達到最大，此時風筒局部材料屈服，產生了塑性變形，但葉片未穿透風筒。

4.2.2 撞擊過程中能量分析　　圖6和圖7分別為撞擊過程中葉片和風筒能量的時間歷程示意圖。圖中E為能量，t為時間。由圖6可知，葉片主要撞擊風筒兩次，從葉片飛出到葉片撞擊風筒，葉片動能保持不變，葉片變形能量為零。隨著葉片接觸并撞擊風筒，葉片動能開始逐漸減少。消耗在第一次撞擊中的能量只是葉片前面小部分質量所具有的能量，而大部分能量則消耗在第二次撞擊上。撞擊結束后葉片具有一定塑性變形能和動能。由圖7可知，從葉片飛出到撞擊風筒，風筒動能和變形能量保持不變，隨著葉片接觸并撞擊風筒，風筒變形能與動能逐漸增加，其中動能增加相對較小，變形能增加顯著。

5 結束語

　　應用大型非線形有限元程序成功地模擬了某型風機的風筒葉片撞擊過程，評估了該型風機葉片的包容性，數(shù)值結果可以為風機風筒葉片撞擊損傷設計提供指導。為了更準確地評估風筒葉片撞擊損傷，需要進一步開展整級葉片交互作用下葉片撞擊風筒的模擬和試驗工作。

參 考 文 獻

[1] 郝仁禮. 鍋爐一次風機飛車事故原因分析及預防措施. 太原科技,2001（5）.

一、 項目背景：
北京首鋼集團是國內十大鋼廠之一，年生產1000萬噸鐵水（設計），由于現(xiàn)在部分轉產，產量有所下降。首鋼皮帶廠（現(xiàn)在與燒結廠合并）負責全首鋼料倉的除塵工作。所有原料都是經由皮帶傳送到料倉的，在下料時會產生或多或少的粉塵，這些粉塵會造成環(huán)境污染和設備老化，使設備維護檢修困難，所以進行除塵成為必然。由于原料種類繁多，不同的原料下料時產生的粉塵的多少不同，而且，皮帶帶料的時間也經常變化，大約每天有60％的時間皮帶帶料，另有40％的時間無料或料少，這樣在風機始終滿負荷運轉時，就造成了不必要的能源浪費。首鋼經過對國內外的電機調速產品的考察、對比，最后選用北京利德華福技術有限公司生產的高壓大功率變頻調速工程，對料倉的除塵風機進行改造。

二、 設備概況

首鋼皮帶廠除塵風機為沈陽鼓風機廠生產的280KW異步電機，機組的主要參數(shù)如下：
除塵風機參數(shù)：
型號： C4-73-11N0：18D-45
風量： 17.5萬m3／h
風壓： 4100Pa
電機參數(shù)：
電機型號： YKK-400/6
額定功率： 280kW
額定電壓： 6kV
額定電流： 36A
額定轉速： 990rpm

三、 HARSVERT-A變頻器的性能

首鋼皮帶廠的料倉的除塵風機共一臺，采用HARSVERT-A06/040變頻器進行調速控制。變頻器為直接高-高方式，單元串聯(lián)多電平的電壓源型，外加一面手動旁路柜，旁路柜為北京開關廠外協(xié)生產的，共有兩個高壓隔離開關，可以使風機在工頻和變頻兩種狀態(tài)在工作。變頻器的主要性能指標如下：
變頻器容量 375KVA
額定輸出電流 36A
輸入頻率 45Hz到55Hz
額定輸入電壓 6000V
允許電壓波動 ±10%
輸入功率因數(shù) ≥0.96（大于20%負載時）
輸出頻率范圍 0Hz到50Hz（即：調速范圍0~100%）
變頻器效率 ≥98％（不含輸入變壓器）
輸出頻率分辨率 0.01Hz，無級調速
過載能力 120%一分鐘，150%立即保護
為了適應電廠設備運行安全性及工藝需要，變頻器除了以上基本性能指標滿足要求外，還具有如下功能：

1. 風機變頻改造后，既可變頻調速運行，也可以直接投工頻運行；
2.為變頻器提供的220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以用UPS供電繼續(xù)運行，不會停機；當控制工程檢修時，可能停電時間較長，根據(jù)用戶要求，在長時間停控制電源時，短接一對觸點，就可以滿足工頻啟動的需要；
3.根據(jù)用戶要求，觸摸屏上顯示實際風量；
4.變頻器可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控，用戶配備電話專線；

四、 項目實施情況

2001年7月2日，正式簽定變頻器的供貨合同和技術協(xié)議；
2001年9月24日，變頻器分別運抵首鋼皮帶廠庫房；
2001年9月27日，變頻器開始吊裝。
2001年9月28日開始至10月1日，變頻器本體安裝，控制工程調試完畢且上位機調試完畢；
由于現(xiàn)場上高壓帶載條件不具備，所以，等待首鋼人員準備。
2001年12月3日，變頻器開始帶高壓空載調試；
2001年12月4日~5日，變頻器帶負載運行調試；
2001年12月6日～8日，變頻器開始第一個72小時滿載運行；由于旁路柜的隔離開關出現(xiàn)問題，變頻器停機。
2001年12月14日～16日，變頻器正式開始72小時滿載運行，一切正常，運行穩(wěn)定。
2001年12月24日，變頻器正式交接，首鋼保勘院出據(jù)驗收報告。

五、 除塵風機改造后的效益分析

皮帶傳送的原料有：焦炭、燒結礦、氧化球、密球、密礦等，每種原料在下料時，產生不同的粉塵。根據(jù)需要，調節(jié)風機轉速，達到除塵且節(jié)能的效果。實際上，采用變頻調速改造后，由于對電機實現(xiàn)真正的軟啟動，所以對電機、風機、擋板、高壓開關等各種設備以及電網(wǎng)的啟動沖擊大大減少，減少了設備的維護，節(jié)省了這些設備的維護費用，而且延長了使用壽命，這種間接的經濟效益是不可估量的。

首鋼皮帶廠整個除塵工程共有21個可操作閥門，只在工頻運行時，為了調節(jié)風量和工藝要求，須經常調節(jié)閥門，現(xiàn)場值班人員和崗位司機的工作量很大；變頻改造后，所有閥門始終處在打開狀態(tài)，需要調節(jié)時，只要調節(jié)變頻器的運行頻率即可，大大減少了現(xiàn)場值班人員的工作量，提高了工作效率，另外，變頻器高精度寬范圍的無級調速功能，不僅全面滿足了電網(wǎng)峰荷動態(tài)調節(jié)的需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型高科技設備，提高了生產效率大大改善了工廠的工作和生產環(huán)境。

總之，HARSVERT-A變頻器在首鋼皮帶廠除塵風機工程的調速改造中應用是相當成功的。該系列變頻器的先進性、可靠性已得到許多工業(yè)應用的證實。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的輔機設備推廣和采用高壓變頻調速技術，不僅可以取得相當顯著的節(jié)能效果，而且也得到國家產業(yè)政策的支持。

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