山 东 化 工
收稿日期：２０２０－０１－０６
基金项目：辽宁省高等学校创新人才支持计划资助（ＬＲ２０１７０７０）；辽宁省教育厅科学研究经费项目（Ｌ２０１９０１９）；国家自然科学基金（５１５０５２０７）
作者简介：陈奕廷（１９９５—），硕士研究生，从事流体机械、机械可靠性方面的研究。
陈奕廷１，王 帅２，高 鹏３
（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 １１３００１）
摘要：为探究离心式压缩机叶轮在高速旋转中气动荷载对叶轮产生的影响，本文基于ａｎｓｙｓ－ｗｏｒｋｂｅｎｃｈｃｆｘ使用ｋ－εtravelmate 6292
袁兴华
模型进行流场计算并将气动荷载导入静力分析模块完成单向流固耦合分析，得到了考虑流固耦合效应后的叶轮整体变形云图及应力分布云图。分析并对比气动荷载导致的和流固耦合后的叶轮变形与应力分布，并分析不同转速下气动荷载和流固耦合导致的应力和变形的变化趋势，最后采用一次二阶矩法取不同均值与标准差对叶轮进行考虑流固耦合结果的可靠度数值计算。关键词：离心式压缩机；叶轮；单向流固耦合；一次二阶矩；可靠性中图分类号：ＴＨ１１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０２０）６－０１４８－０３
Ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄＣｏｕｐｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
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３
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｅｘｐｌｏｒｅｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒｏｔａｔｉｎｇｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒｉｍｐｅｌｌｅｒａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｏｎｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｉｍｐｅｌｌｅｒ，
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受着巨大的离心力，同时承受着气动荷载［１］
。两种荷载的共同作用，导致叶轮产生形变，甚至在多种因素的共同作用下，叶轮可能发生较大变形的刚度破坏和叶片断裂的强度破坏，叶轮的好坏直接决定了压缩机能否正常运转。所以对于高速旋转的叶轮，微小的气动荷载也是不可忽略的因素，许多学者对流固
耦合现象进行了分析与研究［２－５］
。本文将气动荷载的影响考虑进可靠性分析中，使用一次二阶矩法进行可靠度计算，探讨两种参数的变化对叶轮可靠度的影响，为叶轮可靠性分析和设计提供参考。
１ 计算方法
本文结合计算流体动力学和有限元方法对压缩机叶轮进行单向流固耦合计算。首先建立叶轮的三维模型，使用ＴｕｒｂｏＧｉｒｄ进行网格划分，再导入ａｎｓｙｓ－ｗｏｒｋｂｅｎｃｈｃｆｘ进行流体计算。将计算得到的气动荷载数据传递至固体域进行加载，并进行单向流固耦合的求解与结果分析。
１．１ 叶轮结构与建模
本文所使用的的离心式压缩机参数，压缩机设计压比４．７，
设计转速２
２３６３／ｍｉｎ，叶片数２４，设计流量４ｋｇ／ｓ，叶轮出口压力２６５．９７８ｋＰａ，叶轮高度１２０ｍｍ，半径２３０ｍｍ，轮毂半径
４５ｍｍ［６－８］
。三维建模首先按照叶轮基本参数采用ａｎｓｙｓ－
ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ
中的ＢｌａｄｅＧｅｎ模块进行叶片设计，生成整体压缩机模型，再导入ＴｕｒｂｏＧｒｉｄ进行网格划分。在ＴｕｒｂｏＧｒｉｄ中生成流
场计算所需的网格模型，划分方法采用Ｈ／
Ｊ／ＣＬ－Ｇｒｉｄ方式，流场计算网格单元总数约为６万，节点总数约为８万。
１．２ ＣＦＸ求解与边界条件
压缩机内部流体的流动是一个三维非稳态的复杂流动，通常流动情况通过雷诺数进行判定。雷诺数定义为：
Ｒｅ＝
ρν
Ｌμ式中，ρ为流体密度，μ代表流体粘度，ν和Ｌ为表征速度和表征长度。
当雷诺数Ｒｅ大于４０００时将其认定为湍流状态。本文计算使用的ｋ－ε模型是流场计算中最常用的模型，ｋ表示湍动能，定义为速度波动的变化量，ε为湍动能耗散，
韦企平
定义为速度波动耗散的速率。压缩机内气体定义为理想气体空气。一般来说，高阶求解模式结果最准确，但考虑到收敛性，故求解方式采
用高阶迎风模式，混合因子０
．７５，既保证精度又使求解快速收敛。固体壁面无滑移，给定边界条件：进口给定质量流量、进口和岳姆干的翻天覆地
温度，出口给定压力，收敛判定为残差小于１×
１０－４或求解步数大于１５０步。流场求解收敛后进行ＣＦＸ后处理获得叶片的气动载荷。
１．３ 流固耦合分析bdm
流固耦合将计算流体力学与计算固体力学结合在一起计
算固体在流体作用下应力应变及流体在固体变形影响下的流场改变。流固耦合遵循最基本的能量守恒定律、动量守恒定律
和质量守恒定律，在交界面满足固体和流体的温度（罗伯斯庇尔简介
Ｔ）、位移·
８４１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０２０年第４９卷
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