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风筒叶片撞击瞬态响应的数值模拟
Numerical Simulation of Transient Response of Duct Blade Impact
于亚彬/中国航天科工集团第四总体设计部
陈 伟/南京航空航天大学能源与动力学院
摘要：应用有限元方法对丢失的失效风机叶片撞击风筒的非线性瞬态响应进行了数值计算研究，模拟了叶片撞击风筒的过程，分析了撞击过程中叶片、风筒的变形、应力与能量变化。结果表明：有限元方法能较好地模拟风机叶片丢失后撞击风筒的过程，该型风机风筒对叶片具有包容性。
关键词：轴流式通风机 风筒 叶片 撞击 瞬态响应
中图分类号：Ｖ232.4 文献标识码：Ａ
文章编号: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.
在风机的使用过程中经常出现叶片由于自身材料和加工缺陷、外物损伤、疲劳、振动以及恶劣的工作环境等因素造成的叶片断裂。断裂的叶片以很高的速度飞出会打伤其它叶片，甚至造成整级叶片全部损坏，而飞出的断片以较高的速度撞击风机风筒，同样会造成严重的损伤，甚至击穿风筒，从而可能损坏地面其他设备和威胁工作人员的生命安全，造成灾难性的后果[1～7]。因此，必须得采取预防性的措施来包容所有具有潜在危险情况的高能量叶片。 另外，合理设计风机风筒，使其在保证风筒包容性的前提下耗材最小、重量最轻，即进行最优风筒设计有着重要意义。本文的目的在于在风机设计阶段实现较准确的风机叶片撞击损伤模拟，为新型风机的研制，以及在役风机的改进、排除故障提供设计技术。2 三维非线性有限元方程
对非对称的三维问题，只有采用三维应力波的描述方法才能较真实地模拟高速碰撞过程中应力波的传播[8]。对两个高速碰撞接触物体组成的体系，根据连续介质力学原理，该过程必须得保持能量守恒、动量守恒和质量守恒。采用Lagrange描述法，根据虚功原理，高速碰撞工程中的控制方程为 式（1）中各项分别表示单位时间内体系的惯性力、内力和外力的虚功。将式（1）有限元离散化，得到离散方程为3 本构关系的描述
对被冲击的叶片材料，可采用塑性随动硬化本构模型[9]。它适用于塑性破坏和高应变率材料的碰撞损伤问题，考虑了材料的应变率，并带有破坏断裂模型。该模型的动态屈服应力为
4 计算分析
风机风筒内径为0.908m，厚度为0.004m，进气方向长0.3m。叶片长0.330m，厚度0.003m。风筒共分32000个单元，主要撞击区域进行网格细化，采用实体3D Solid 164以sweep方式划分有限元模型，模型风筒的一端端面约束。叶片分为350个单元，采用实体3D Solid 164以map方式划分有限元模型，通过对不同高度叶片节点的速度施加实现整个叶片速度的分布。叶片转速为1500r/min，顺时针方向转动，叶片速度分布见图3，其中ω为叶片角速度，r为对应叶片上不同高度处的旋转半径，v(r)为对应叶片旋转半径 r 处的切向速度。材料取典型的塑性随动硬化模型，材料属性见表1。 采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA提供的接触冲击算法进行叶片撞击风筒的数值计算，定义不同部件间的接触来实现接触力和能量的传递。采用点对面Erode Nodes-Surface的接触方式定义叶片与风筒的接触，其中风筒为目标体，叶片为接触体，从而实现叶片撞击风筒的模拟；定义叶片自身的面接触来实现叶片自身的卷曲接触模拟，其中目标体和接触体均为叶片。风筒材料失效的有效塑性应变设置为0.3[10]，如果超过这个值，那么就认为单元失效并被删除.如果沿着某一方向风筒的一排单元失效,那么就表示对叶片的包容失败。叶片包容性问题的数值计算研究在国内尚属首次，为了简化问题，假设撞击过程无阻尼、无摩擦。
表1 材料属性材料弹性模量E/GPa屈服应力σS/MPa泊松比μ密度ρ/（kg/m3）硬化模量ET/GPaZL104A（叶片）692100.3326800.6920（风筒）2113660.28678502.11
4.2 计算结果与分析
4.2.1 风筒叶片撞击过程分析
图4为风机叶片撞击风筒过程等效应力时间历程示意图。图5为风机叶片撞击风筒过程中风筒被撞击部位的等效应力时间历程示意图。由图4和图5可知，当t=2.4E-4s时刻，叶片的叶尖撞击风筒，并发生卷曲。已经卷曲了的叶片顺转子旋转方向飞过微小的距离后，用靠近其中心的凸起部位，几乎是贴着风筒内壁再次撞击风筒内壁，在t=2.4E-3s时刻，叶片卷曲程度在撞击过程中进一步加深而达到最大，此时风筒局部材料屈服，产生了塑性变形，但叶片未穿透风筒。4.2.2 撞击过程中能量分析 图6和图7分别为撞击过程中叶片和风筒能量的时间历程示意图。图中E为能量，t为时间。由图6可知，叶片主要撞击风筒两次，从叶片飞出到叶片撞击风筒，叶片动能保持不变，叶片变形能量为零。随着叶片接触并撞击风筒，叶片动能开始逐渐减少。消耗在第一次撞击中的能量只是叶片前面小部分质量所具有的能量，而大部分能量则消耗在第二次撞击上。撞击结束后叶片具有一定塑性变形能和动能。由图7可知，从叶片飞出到撞击风筒，风筒动能和变形能量保持不变，随着叶片接触并撞击风筒，风筒变形能与动能逐渐增加，其中动能增加相对较小，变形能增加显著。
5 结束语
应用大型非线形有限元程序成功地模拟了某型风机的风筒叶片撞击过程，评估了该型风机叶片的包容性，数值结果可以为风机风筒叶片撞击损伤设计提供指导。为了更准确地评估风筒叶片撞击损伤，需要进一步开展整级叶片交互作用下叶片撞击风筒的模拟和试验工作。
参 考 文 献
[1] 郝仁礼. 锅炉一次风机飞车事故原因分析及预防措施. 太原科技,2001（5）.
一、 项目背景：
北京首钢集团是国内十大钢厂之一，年生产1000万吨铁水（设计），由于现在部分转产，产量有所下降。首钢皮带厂（现在与烧结厂合并）负责全首钢料仓的除尘工作。所有原料都是经由皮带传送到料仓的，在下料时会产生或多或少的粉尘，这些粉尘会造成环境污染和设备老化，使设备维护检修困难，所以进行除尘成为必然。由于原料种类繁多，不同的原料下料时产生的粉尘的多少不同，而且，皮带带料的时间也经常变化，大约每天有60％的时间皮带带料，另有40％的时间无料或料少，这样在风机始终满负荷运转时，就造成了不必要的能源浪费。首钢经过对国内外的电机调速产品的考察、对比，最后选用北京利德华福技术有限公司生产的高压大功率变频调速工程，对料仓的除尘风机进行改造。
二、 设备概况
首钢皮带厂除尘风机为沈阳鼓风机厂生产的280KW异步电机，机组的主要参数如下：
除尘风机参数：
型号： C4-73-11N0：18D-45
风量： 17.5万m3／h
风压： 4100Pa
电机参数：
电机型号： YKK-400/6
额定功率： 280kW
额定电压： 6kV
额定电流： 36A
额定转速： 990rpm
三、 HARSVERT-A变频器的性能
首钢皮带厂的料仓的除尘风机共一台，采用HARSVERT-A06/040变频器进行调速控制。变频器为直接高-高方式，单元串联多电平的电压源型，外加一面手动旁路柜，旁路柜为北京开关厂外协生产的，共有两个高压隔离开关，可以使风机在工频和变频两种状态在工作。变频器的主要性能指标如下：
变频器容量 375KVA
额定输出电流 36A
输入频率 45Hz到55Hz
额定输入电压 6000V
允许电压波动 ±10%
输入功率因数 ≥0.96（大于20%负载时）
输出频率范围 0Hz到50Hz（即：调速范围0~100%）
变频器效率 ≥98％（不含输入变压器）
输出频率分辨率 0.01Hz，无级调速
过载能力 120%一分钟，150%立即保护
为了适应电厂设备运行安全性及工艺需要，变频器除了以上基本性能指标满足要求外，还具有如下功能：
1. 风机变频改造后，既可变频调速运行，也可以直接投工频运行；
2.为变频器提供的220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以用UPS供电继续运行，不会停机；当控制工程检修时，可能停电时间较长，根据用户要求，在长时间停控制电源时，短接一对触点，就可以满足工频启动的需要；
3.根据用户要求，触摸屏上显示实际风量；
4.变频器可以实现远程监控，用户配备电话专线；
四、 项目实施情况
2001年7月2日，正式签定变频器的供货合同和技术协议；
2001年9月24日，变频器分别运抵首钢皮带厂库房；
2001年9月27日，变频器开始吊装。
2001年9月28日开始至10月1日，变频器本体安装，控制工程调试完毕且上位机调试完毕；
由于现场上高压带载条件不具备，所以，等待首钢人员准备。
2001年12月3日，变频器开始带高压空载调试；
2001年12月4日~5日，变频器带负载运行调试；
2001年12月6日～8日，变频器开始第一个72小时满载运行；由于旁路柜的隔离开关出现问题，变频器停机。
2001年12月14日～16日，变频器正式开始72小时满载运行，一切正常，运行稳定。
2001年12月24日，变频器正式交接，首钢保勘院出据验收报告。
五、 除尘风机改造后的效益分析
皮带传送的原料有：焦炭、烧结矿、氧化球、密球、密矿等，每种原料在下料时，产生不同的粉尘。根据需要，调节风机转速，达到除尘且节能的效果。实际上，采用变频调速改造后，由于对电机实现真正的软启动，所以对电机、风机、挡板、高压开关等各种设备以及电网的启动冲击大大减少，减少了设备的维护，节省了这些设备的维护费用，而且延长了使用寿命，这种间接的经济效益是不可估量的。
首钢皮带厂整个除尘工程共有21个可操作阀门，只在工频运行时，为了调节风量和工艺要求，须经常调节阀门，现场值班人员和岗位司机的工作量很大；变频改造后，所有阀门始终处在打开状态，需要调节时，只要调节变频器的运行频率即可，大大减少了现场值班人员的工作量，提高了工作效率，另外，变频器高精度宽范围的无级调速功能，不仅全面满足了电网峰荷动态调节的需要，而且变频器属于高度智能化的新型高科技设备，提高了生产效率大大改善了工厂的工作和生产环境。
总之，HARSVERT-A变频器在首钢皮带厂除尘风机工程的调速改造中应用是相当成功的。该系列变频器的先进性、可靠性已得到许多工业应用的证实。在各行各业，对于许多高压大功率的辅机设备推广和采用高压变频调速技术，不仅可以取得相当显著的节能效果，而且也得到国家产业政策的支持。
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