第三章：转子、叶轮结构和强度计算_最终

航空发动机压气机转子叶片强度计算及气流场模拟摘要压气机是为航空发动机提供需要压缩空气的关键部分，由转子和静子等组成，其中转子叶片是完成该功能的核心零件，在能量转换方面起着至关重要的作用。

叶片工作的环境比较恶劣，除了承受高转速下的气动力、离心力和高振动负荷外，还要承受热应力，所以在叶片设计之中，首先遇到的问题是叶片结构的强度问题，转子叶片强度的高低直接影响发动机的运行可靠性，叶片强度不足，可能会直接导致叶片的疲劳寿命不足，因此在强度设计中必须尽量增大强度，以提高叶片疲劳寿命和可靠性。

由进气道、转子、静子等组成的离心式压气机内部流动通道是非常复杂的，由于压气机是发动机的主要增压设备，其工作的好坏对发动机的性能有很大的影响。

随着现在的计算机和数字计算方法的大力发展，三维计算流体模拟软件越来越多的被运用到旋转机械的内部流场进行数值分析。

本文利用三维流体模拟软件ANSYS系列软件对压气机内部的气体流动性能进行模拟，得到一些特征截面的压力和速度分布情况。

关键字：转子叶片；强度计算；Fluent；轴流式压气机AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目录1 引言 (1)课题介绍 (1)研究方法 (1)直接计算法 (1)有限元分析法 (2)2 转子叶片 (2)叶身结构 (3)榫头结构 (5)叶片截面的几何特征 (7)3 叶片强度计算 (10)叶片受力分析 (10)离心拉应力计算 (10)离心弯应力计算 (12)气流弯应力计算 (15)叶片热载荷 (18)榫头强度计算 (19)4 压气机内气流场的模拟 (21)Fluent软件介绍 (21)双向流固耦合 (22)模型建立 (23)实体模型的建立 (23)ICEM CFD网格划分 (27)相关条件的设置 (28)运行结果和分析 (29)速度计算和分析 (29)压力场计算和分析 (31)5 结束语 (33)【参考文献】 (34)致谢 (35)附录1 相关英文文献: (36)附录2 英文文献中文译文: (50)1 引言1.1课题介绍压气机是用来提高进入发动机内的空气压力，提供发动机工作时所需要的压缩空气，也可以为座舱增压、涡轮散热和其他发动机的启动提供压缩空气[1]。

导读导读●一、填空题（每题2分，共20分）●二、判断题（每题1分，共10分）●三、选择题（每题2分，共20分）●四、简答题（每题4分，共40分）●五、开放题（每题5分，共10分）离心泵维修技能知识考题（答案在下面）一、填空题（每题2分，共20分）1.离心泵的主要工作部件为______。

2.离心泵的转子和叶轮的连接方式有______和______两种。

3.离心泵结构上通常由四个部分组成：泵体、______、叶轮和密封件。

4.离心泵叶轮一般采用______或______材料制作。

5.泵轴的弯曲度应该______。

6.受到液体阻力的作用，离心泵效率不会高于______%。

7.大流量低扬程的离心泵又被称为______型离心泵。

8.当离心泵出口压力降低时，可能是______问题导致的。

9.在离心泵的安装过程中，应注意将泵与电机轴心______度，并控制最大允许轴向偏差为______mm。

10.离心泵的减速器一般采用______型号电机驱动。

答案：1.叶轮 2.平键连接、螺纹连接 3.泵盖 4.铸铁、不锈钢 5.偏差小于0.05mm6.80%7.混流8.空气堵塞管道9.垂直，0.3mm10.YC二、判断题（每题2分，共20分。

答案在题目后，T表示正确，F表示错误）1.叶轮失衡、轴弯曲、悬置不当等原因会导致离心泵产生噪声和振动。

(T)2.平键连接适用于大功率的离心泵，连接可靠牢固。

(F)3.离心泵泵轴的弯曲度应该控制在0.5mm以内。

(F)4.离心泵可能出现的故障包括轴弯曲、出口压力低、叶轮失衡等。

(F)5.泵与电机之间的轴向偏差不应大于0.3mm。

(T)6.泵的扬程指的是液体被压缩所产生的热量。

(F)7.泵内发生异物堵塞或叶轮磨损时，离心泵的运转声音会比较大。

(F)8.法兰连接方式适用于离心泵壳体和电机之间的连接。

(F)9.悬挂支架是否平稳、泵轴与电机轴是否垂直是离心泵安装需要注意的问题之一。

(T)10.泵壳内部的洁净程度对于离心泵的使用寿命没有影响。

矿用主通风机动叶片的强度校核叶片叶柄强度校核原理轴流通风机的叶轮在旋转时，叶片上受到离心力和气流流动压力；前者造成拉伸，后者导致弯曲。

在扭曲叶片中，离心力也会造成弯曲。

离心力和由它所引起的应力在叶片顶端为零，向叶根逐步增大，到叶片根部时达到最大值。

作用在叶片上的总离心力P （见图五）为：P c =m ω2r式中 m ——叶片质量（kg ）；r c ——叶片重心至叶轮中心之距离（m ）；ω——叶轮角速度（s －1）ω=30n 叶片根部的拉伸应力σc （Pa ）为：σc =S P c 式中S ——对于叶片焊接在轮毂上的叶轮，S 为焊缝面积；对于叶片通过叶轮固定在轮毂上的叶轮，S 指叶柄的横截面积（m 2）。

ωcP c图6 轴流通风机叶片拉伸计算图图五 轴流通风机受拉伸应力图气流流动压力引起的荷载力P h 可以分解为切向力P u 和轴向力P z（见图六）。

计算中假设荷载力作用在叶片平均半径的位置上。

θpθhω图六 叶片受气流压力分析图切向力P u （N ）决定于传动功率、叶片数和叶片平均半径处的圆周速度：P u =msh Zu P 1000 式中 P sh ——轴功率（kW ）；Z —— 叶片数（个）；u m —— 叶片平均半径处的圆周速度（m/s ）。

轴向力P z 决定于叶轮产生的静压差、叶片长度和叶片平均半径圆周上的节距：P z =ΔP st lt式中ΔP st ——叶轮产生的静压差（N/m 2）；l ——叶片全长（m ）；t ——叶片平均半径圆周上的节踞荷载力P h （N ）就等于切向力P u 和轴向力P z 的合力为： 22z u h P P P +=为了求得气流荷载力P h 引起的弯矩，先要根据叶轮图确定叶片根部截面的法线与圆周切线之间的夹角θh ，以及荷载力P h 与圆周切线之夹角θp ，如图所示。

在叶片长度L 方向上受到的弯矩为：)cos(2p h h h L P M θθ-= 其中 k h θθ-=90 （k θ为叶片安装角） )arctan(u z p P P =θ叶片离心力产生的附加弯距：1PcL Mc = 式中 L1——叶片重心处弦长的10% 。

叶片和轮盘强度计算1.叶片强度计算由于本设计中叶片为圆弧窄叶片，这种叶片的径向尺寸大于轴向 尺寸，所以在计算叶片强度时，在叶片上沿轴向取一单位长度的小窄 条，根据参考文献［7］图5-48得如下图5-1 （b ）,图（b ）是图（a ）的局部放大图。

将这个小窄条看作是承受均布载荷的梁， 叶片重心近似图5-1圆弧窄叶片的离心力及其分力图图5-2窄条位置对比图可以将小窄条看作是平板叶片，一般情况下,叶轮进口处叶片所受弯假设在叶片工作面的0点上。

曲应力最大，对比结果如下图由按参考文献［1］式（7-42 ）得叶片最大弯曲应力公式为-冷吟EcosP，可见P 值越小，弯曲应力值越大，由此得本设计中叶轮进口处叶片所受弯曲应力最大。

由图5-1测得2—84：P曲R c =0.329m,b = 0.14m叶片与轮盘轮盖的连接为焊接，可以假定叶片为一固定梁。

叶片的离心力f可分解为f1和f2两个分力。

由f2产生的弯曲应力因叶片的抗弯截面模量较大，可忽略不计。

只计算f1产生的弯曲应力即可。

分力f1引起的最大弯曲应力按参考文献［1］式（7-42）得^max已知：叶片厚度6 = 0.008m旋转角速度= 49.74r ads60 60材料的密度P =7.85>d03(kg/m3) 将各值代入上式得2b max = 1X 7.85 咒103X X 0.329 X49.742x cos332 0.008= 6.56咒106(N /m2) 叶片材料选用16Mn低合金钢，屈服点为兀=345勺06Pa，满足要求。

2.轮盘强度计算如图5-3所示由参考文献［1］式（7-54）,轮盘的直径D 2 =1.4m ，中间孔的直径D i = 0.64m 选取轮盘厚度6 = 0.008m轮盘的最大应力按参考文献［1］式（7-52）计算码=6500u ；[1 +0.212( D 1)2] D 220 64 2 = 6500% 69.642X [1 +0.212%(行)2]= 32.92xi06(N/m 2)叶片引起的附加应力为% T i KF2 F i轮盘的最大应力为CT =^廿+cr t2 =32.92 X106 +16.43X106 =49.35x106(N/m2)轮盘的材料为Q235A，其屈服点bs=235N/mm23•轮盖的强度计算与轮盘强度计算过程类似，除了轮盖的叶片负荷分配系数K=0.5。

矿用主通风机动叶片的强度校核一、 原始数据通风机的转子直径：2.5m ；通风机的主轴转数：750rpm ；通风机的全压：2100Pa通风机的流量：100m 3/s叶片的安装角：37－50度，任选其一叶片数：12－22片，任选其一通风机的效率：0.75－0.86，任选其一动叶片的结构尺寸如附图所示（图另附）。

二、 设计任务校核叶片支杆根部断面的强度；校核支杆第一铆钉处断面的强度。

安全系数要求大于或等于2。

三、 叶片叶柄强度校核原理轴流通风机的叶轮在旋转时，叶片上受到离心力和气流流动压力；前者造成拉伸，后者导致弯曲。

在扭曲叶片中，离心力也会造成弯曲。

离心力和由它所引起的应力在叶片顶端为零，向叶根逐步增大，到叶片根部时达到最大值。

作用在叶片上的总离心力P （见图五）为：P c =m ω2r式中 m ——叶片质量（kg ）；r c ——叶片重心至叶轮中心之距离（m ）；ω——叶轮角速度（s －1）ω=30n叶片根部的拉伸应力σc （Pa ）为：σc =SP c 式中S ——对于叶片焊接在轮毂上的叶轮，S 为焊缝面积；对于叶片通过叶轮固定在轮毂上的叶轮，S 指叶柄的横截面积（m 2）。

气流流动压力引起的荷载力P h可以分解为切向力P u和轴向力P z（见图六）。

P u =m shZu P1000式中 P sh ——轴功率（kW ）；Z —— 叶片数（个）；u m —— 叶片平均半径处的圆周速度（m/s ）。

轴向力P z 决定于叶轮产生的静压差、叶片长度和叶片平均半径圆周上的节距：P z =ΔP st lt式中ΔP st ——叶轮产生的静压差（N/m 2）；l ——叶片全长（m ）；t ——叶片平均半径圆周上的节踞荷载力P h （N ）就等于切向力P u 和轴向力P z 的合力为： 22z u h P P P +=为了求得气流荷载力P h 引起的弯矩，先要根据叶轮图确定叶片根部截面的法线与圆周切线之间的夹角θh ，以及荷载力P h 与圆周切线之夹角θp ，如图所示。

风机叶轮强度计算全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：风机叶轮是风机中最重要的部件之一，它直接影响到风机的性能和稳定性。

叶轮强度计算是设计和制造风机叶轮时必须进行的重要工作之一。

本文将详细介绍风机叶轮强度计算的基本原理、计算方法和注意事项。

一、叶轮强度计算的基本原理风机叶轮在工作过程中承受风力的作用，需要具备足够的强度来抵抗风力的作用，以保证叶轮的安全运行。

叶轮强度计算的基本原理是根据力学原理和叶轮结构特点，通过计算得出叶轮在不同工况下的受力情况，进而确定叶轮的强度是否满足设计要求。

1. 叶轮的受力分析叶轮在工作过程中受到风力和旋转惯性力的作用，需要通过受力分析来确定叶轮在不同工况下的受力情况。

根据叶轮的结构和受力情况，可以采用有限元分析等方法对叶轮进行受力分析，得出叶轮的应力和变形情况。

通过叶轮的受力分析结果，可以计算出叶轮的应力和变形情况，进而确定叶轮的强度是否满足设计要求。

叶轮的强度计算一般包括弯曲强度、拉伸强度、剪切强度等方面的计算，需要根据叶轮的结构和受力情况进行综合考虑。

1. 叶轮的设计要符合叶轮的工作环境和工作要求，需考虑叶轮的材料、结构和制造工艺等因素。

2. 在叶轮强度计算中，需要充分考虑叶轮在不同工况下的受力情况，避免出现强度不足的情况。

3. 叶轮的强度计算需要遵循相关的标准和规范，确保计算结果准确可靠。

4. 需要进行叶轮的强度验证测试，以确保叶轮的实际强度与计算结果相符。

风机叶轮强度计算是设计和制造风机叶轮时不可忽视的重要工作，只有通过科学的叶轮强度计算，才能确保叶轮在工作过程中具有足够的强度和稳定性，从而保证风机的安全运行和高效性能。

希望本文能对您了解风机叶轮强度计算有所帮助。

第二篇示例：风机是一种常见的动力设备，用来将风力转化为机械能，常用于工业、农业和民用领域。

而风机的核心部件之一就是叶轮，它负责将风能转化为机械能。

叶轮必须具备足够的强度来承受来自气流的巨大压力和力量，否则容易发生断裂、破裂等危险情况。

汽轮机介绍之转动部分的结构及作用汽轮机是一种将热能转化为机械能的热能机械装置，广泛应用于发电、航空、航天等领域。

汽轮机的转动部分是整个机组的核心，负责将高速旋转的热能转化为机械能。

本文将介绍汽轮机转动部分的结构以及其作用。

汽轮机的转动部分由以下几个组成部分构成：1.转子：转子是汽轮机转动部分的核心部件，通常由高强度材料制成，如铸铁、钢等。

转子由主叶轮、中叶轮和末叶轮组成，每个叶轮上安装有叶片。

转子的作用是将热能转化为机械能，通过高速旋转带动轴系转动，进而驱动发电机或其他设备。

2.轴系：轴系是支持和连接转子的重要组成部分。

轴系通常由轴、轴承、油封等零部件构成。

轴是负责承载转子旋转力的重要组件，需要具备足够的强度和刚度。

轴承则用于支撑和定位转子，使其能够稳定旋转，并承受轴向和径向力。

油封用于防止润滑油泄漏，保证轴系的正常运转。

3.换向器：换向器位于转子的高速旋转部分，其作用是改变蒸汽流动的方向。

换向器通常由固定叶片和转动叶片组成，通过改变叶片的位置，使蒸汽在叶片上产生反作用力，从而改变蒸汽的流向，实现能量的传递和转换。

4.冷却系统：汽轮机转动部分会因为高温和高速旋转而产生大量热量，如果不及时散热，可能导致转子变形甚至损坏。

因此，冷却系统是汽轮机转动部分中非常重要的组成部分。

冷却系统通常通过沿轴向布置的冷却通道和冷却空气来实现，这些冷却通道可以将热量从转子中传导出去，降低转子的工作温度，确保转子的正常运转。

汽轮机转动部分的作用是将蒸汽能量转化为旋转机械能，并输出给发电机或其他设备。

在汽轮机工作过程中，蒸汽从汽轮机的锅炉进入转动部分，通过主叶轮和中叶轮的叶片将其动能转化为机械能，驱动轴系旋转。

而末叶轮则将剩余的能量进一步转化为机械能，提高汽轮机的整体效率。

此外，汽轮机的转动部分还具有以下作用：1.平衡作用：汽轮机的转动部件需要精确制造和安装，以确保转子在高速旋转时能够保持平衡。

平衡失调会导致振动和噪音增加，甚至使整个机组发生故障。

风机叶轮强度计算一、引言在风力发电领域，风机叶轮是将风能转化为机械能的关键部件。

叶轮的强度计算对于确保风机的安全运行至关重要。

本文将从叶轮的设计和材料选择等方面进行探讨，以提供一种有效的风机叶轮强度计算方法。

二、叶轮设计与材料选择1. 叶轮设计叶轮的设计应考虑到风力的大小、方向和速度等因素。

通常，叶轮的形状采用空气动力学原理进行优化，以确保最大限度地捕捉风能。

同时，叶轮的叶片数量和叶片角度也需要精确计算，以实现最佳的风能转换效率。

2. 材料选择叶轮的材料选择对其强度至关重要。

常见的叶轮材料包括钢、铝合金和复合材料等。

钢具有较高的强度和耐久性，但重量较大；铝合金轻巧但强度稍低；复合材料则具有较高的强度和轻量化的特点。

根据不同的设计需求和成本因素，选择适合的材料是必要的。

三、叶轮强度计算方法叶轮强度计算是确保叶轮在运行过程中不会发生破裂或变形的关键步骤。

下面介绍一种常用的叶轮强度计算方法。

1. 叶片应力计算叶片应力是叶片强度的重要指标，通常使用叶片应力公式来计算。

该公式基于叶片的几何形状、材料弹性模量和转速等参数。

通过对叶片应力进行分析，可以确定叶片的强度是否满足设计要求。

2. 叶轮强度校核叶轮强度校核主要包括静态强度和疲劳强度两个方面。

静态强度是指叶轮在额定工况下承受的最大静载荷，通过静态强度分析可以确定叶轮的材料和结构是否满足要求。

疲劳强度是指叶轮在长期运行过程中所承受的循环载荷，通过疲劳强度分析可以评估叶轮的寿命和可靠性。

3. 强度计算结果评估根据叶轮的设计要求，将强度计算结果与设计指标进行对比评估。

如果强度计算结果满足设计要求，则可以继续进行下一步的制造和测试工作；如果不满足，则需要重新进行设计或调整。

四、结论风机叶轮强度计算是确保风机安全运行的关键环节。

正确选择叶轮的设计和材料，采用合适的强度计算方法，可以保证叶轮在各种工况下的稳定性和可靠性。

本文介绍的叶轮强度计算方法为风机叶轮的设计和制造提供了一种有效的参考方式。

离心泵转子强度计算分析方法李阳;刘岩;杨宏伟【摘要】以API 610 BB2泵型为例使用有限元仿真软件ANSYS,进行了转子的强度计算分析,分析方法采用实体单元20节点六面体单元186号和10节点四面体单元187号组合.通过对转子的模态与强度进行计算分析,最终确定了满足实际运行要求的泵转子强度设计方案.【期刊名称】《化工装备技术》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】5页(P30-34)【关键词】离心泵;转子;强度分析【作者】李阳;刘岩;杨宏伟【作者单位】广东肯富来泵业股份有限公司;广东肯富来泵业股份有限公司;大连深蓝泵业有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH311转子是离心泵的关键部件，保证转子安全工作是泵设计制造时的重要因素。

转子属于过流部件，始终运行在高温高压、低温深冷、高速高磨损等各种恶劣工况中。

转子不间断地承受着由于叶片和转子本身离心力及温度分布不均引起的温度应力。

离心泵转子和其他转动设备一样，不平衡质量离心力会引起转子振动，同时传递作用在叶轮叶片上的液流引起的扭矩，因此在离心泵的研发设计过程中，必须对叶轮、转子进行强度计算。

以API 610 BB2泵型式为例进行转子的强度计算分析，该泵为卧式径向剖分、单级双吸叶轮、双蜗壳离心泵，从泵驱动端看叶轮为逆时针方向旋转，图1为泵剖视图。

通过对转子的模态与强度计算进行分析，确保泵转子的强度设计满足实际运行要求。

1 离心泵基本参数该泵的运行参数可见表1。

表 1 基本计算参数工况流量Q /（m3·h-1）扬程H/m转速n/（r·min-1）介质温度/℃轴功率/kW额定点 3 092 609 4 899 178 5 662设计点 3 620 616 5 041 178 6 297图 1 BB2泵剖视图API 610—2010规范和查询《ASME锅炉及压力容器规范》得到178 ℃时该泵的材料特性，可见表2。

表 2 材料物理特性表（178 ℃）部件材料弹性模量E/GPa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3)屈服强度Sy /MPa抗拉强度Su/MPa基本许用应力S/MPa叶轮 A-487 CA6NM 191 0.31 7 750 497 736 210轴 A-182 F6NM 191 0.31 7 750 578 789 226轴套 17Cr16Ni2 185 0.31 8 030 154 499 1362 载荷分析对转子部件在额定点与设计点两种工况下的强度进行计算。