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工廠降溫風(fēng)筒葉片撞擊瞬態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬首鋼皮帶廠除塵風(fēng)機變頻改
風(fēng)筒葉片撞擊瞬態(tài)響應(yīng)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(shè)計部
陳 偉/南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院
摘要：應(yīng)用有限元方法對丟失的失效風(fēng)機葉片撞擊風(fēng)筒的非線性瞬態(tài)響應(yīng)進行了數(shù)值計算研究，模擬了葉片撞擊風(fēng)筒的過程，分析了撞擊過程中葉片、風(fēng)筒的變形、應(yīng)力與能量變化。結(jié)果表明：有限元方法能較好地模擬風(fēng)機葉片丟失后撞擊風(fēng)筒的過程，該型風(fēng)機風(fēng)筒對葉片具有包容性。
關(guān)鍵詞：軸流式通風(fēng)機 風(fēng)筒 葉片 撞擊 瞬態(tài)響應(yīng)
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.
在風(fēng)機的使用過程中經(jīng)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(fēng)機風(fēng)筒，同樣會造成嚴重的損傷，甚至擊穿風(fēng)筒，從而可能損壞地面其他設(shè)備和威脅工作人員的生命安全，造成災(zāi)難性的后果[1～7]。因此，必須得采取預(yù)防性的措施來包容所有具有潛在危險情況的高能量葉片�！ ×硗�，合理設(shè)計風(fēng)機風(fēng)筒，使其在保證風(fēng)筒包容性的前提下耗材最小、重量最輕，即進行最優(yōu)風(fēng)筒設(shè)計有著重要意義。本文的目的在于在風(fēng)機設(shè)計階段實現(xiàn)較準確的風(fēng)機葉片撞擊損傷模擬，為新型風(fēng)機的研制，以及在役風(fēng)機的改進、排除故障提供設(shè)計技術(shù)。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(yīng)力波的描述方法才能較真實地模擬高速碰撞過程中應(yīng)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(zhì)力學(xué)原理，該過程必須得保持能量守恒、動量守恒和質(zhì)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(nèi)體系的慣性力、內(nèi)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(gòu)關(guān)系的描述
對被沖擊的葉片材料，可采用塑性隨動硬化本構(gòu)模型[9]。它適用于塑性破壞和高應(yīng)變率材料的碰撞損傷問題，考慮了材料的應(yīng)變率，并帶有破壞斷裂模型。該模型的動態(tài)屈服應(yīng)力為
4 計算分析
風(fēng)機風(fēng)筒內(nèi)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(fēng)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(fēng)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(zhuǎn)速為1500r/min，順時針方向轉(zhuǎn)動，葉片速度分布見圖3，其中ω為葉片角速度，r為對應(yīng)葉片上不同高度處的旋轉(zhuǎn)半徑，v(r)為對應(yīng)葉片旋轉(zhuǎn)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�！ 〔捎糜邢拊治鲕浖嗀NSYS/LS-DYNA提供的接觸沖擊算法進行葉片撞擊風(fēng)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(fēng)筒的接觸，其中風(fēng)筒為目標體，葉片為接觸體，從而實現(xiàn)葉片撞擊風(fēng)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(fēng)筒材料失效的有效塑性應(yīng)變設(shè)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(fēng)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(nèi)尚屬首次，為了簡化問題，假設(shè)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(yīng)力σS/MPa泊松比μ密度ρ/（kg/m3）硬化模量ET/GPaZL104A（葉片）692100.3326800.6920（風(fēng)筒）2113660.28678502.11
4.2 計算結(jié)果與分析
4.2.1 風(fēng)筒葉片撞擊過程分析
圖4為風(fēng)機葉片撞擊風(fēng)筒過程等效應(yīng)力時間歷程示意圖。圖5為風(fēng)機葉片撞擊風(fēng)筒過程中風(fēng)筒被撞擊部位的等效應(yīng)力時間歷程示意圖。由圖4和圖5可知，當(dāng)t=2.4E-4s時刻，葉片的葉尖撞擊風(fēng)筒，并發(fā)生卷曲。已經(jīng)卷曲了的葉片順轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)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(fēng)筒內(nèi)壁再次撞擊風(fēng)筒內(nèi)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(fēng)筒局部材料屈服，產(chǎn)生了塑性變形，但葉片未穿透風(fēng)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(fēng)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(fēng)筒兩次，從葉片飛出到葉片撞擊風(fēng)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(fēng)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(zhì)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(jié)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(fēng)筒，風(fēng)筒動能和變形能量保持不變，隨著葉片接觸并撞擊風(fēng)筒，風(fēng)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(jié)束語
應(yīng)用大型非線形有限元程序成功地模擬了某型風(fēng)機的風(fēng)筒葉片撞擊過程，評估了該型風(fēng)機葉片的包容性，數(shù)值結(jié)果可以為風(fēng)機風(fēng)筒葉片撞擊損傷設(shè)計提供指導(dǎo)。為了更準確地評估風(fēng)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(fēng)筒的模擬和試驗工作。
參 考 文 獻
[1] 郝仁禮. 鍋爐一次風(fēng)機飛車事故原因分析及預(yù)防措施. 太原科技,2001（5）.
一、 項目背景：
北京首鋼集團是國內(nèi)十大鋼廠之一，年生產(chǎn)1000萬噸鐵水（設(shè)計），由于現(xiàn)在部分轉(zhuǎn)產(chǎn)，產(chǎn)量有所下降。首鋼皮帶廠（現(xiàn)在與燒結(jié)廠合并）負責(zé)全首鋼料倉的除塵工作。所有原料都是經(jīng)由皮帶傳送到料倉的，在下料時會產(chǎn)生或多或少的粉塵，這些粉塵會造成環(huán)境污染和設(shè)備老化，使設(shè)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(chǎn)生的粉塵的多少不同，而且，皮帶帶料的時間也經(jīng)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(fēng)機始終滿負荷運轉(zhuǎn)時，就造成了不必要的能源浪費。首鋼經(jīng)過對國內(nèi)外的電機調(diào)速產(chǎn)品的考察、對比，最后選用北京利德華福技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻調(diào)速工程，對料倉的除塵風(fēng)機進行改造。
二、 設(shè)備概況
首鋼皮帶廠除塵風(fēng)機為沈陽鼓風(fēng)機廠生產(chǎn)的280KW異步電機，機組的主要參數(shù)如下：
除塵風(fēng)機參數(shù)：
型號： C4-73-11N0：18D-45
風(fēng)量： 17.5萬m3／h
風(fēng)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(zhuǎn)速： 990rpm
三、 HARSVERT-A變頻器的性能
首鋼皮帶廠的料倉的除塵風(fēng)機共一臺，采用HARSVERT-A06/040變頻器進行調(diào)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(guān)廠外協(xié)生產(chǎn)的，共有兩個高壓隔離開關(guān)，可以使風(fēng)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(diào)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(diào)速
過載能力 120%一分鐘，150%立即保護
為了適應(yīng)電廠設(shè)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(fēng)機變頻改造后，既可變頻調(diào)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(dāng)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�？刂齐娫磿r，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(fēng)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(shù)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(diào)試完畢且上位機調(diào)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(diào)試；
2001年12月4日~5日，變頻器帶負載運行調(diào)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(guān)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�？痹撼鰮�(jù)驗收報告。
五、 除塵風(fēng)機改造后的效益分析
皮帶傳送的原料有：焦炭、燒結(jié)礦、氧化球、密球、密礦等，每種原料在下料時，產(chǎn)生不同的粉塵。根據(jù)需要，調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速，達到除塵且節(jié)能的效果。實際上，采用變頻調(diào)速改造后，由于對電機實現(xiàn)真正的軟啟動，所以對電機、風(fēng)機、擋板、高壓開關(guān)等各種設(shè)備以及電網(wǎng)的啟動沖擊大大減少，減少了設(shè)備的維護，節(jié)省了這些設(shè)備的維護費用，而且延長了使用壽命，這種間接的經(jīng)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(diào)節(jié)風(fēng)量和工藝要求，須經(jīng)常調(diào)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(diào)節(jié)時，只要調(diào)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(diào)速功能，不僅全面滿足了電網(wǎng)峰荷動態(tài)調(diào)節(jié)的需要，而且變頻器屬于高度智能化的新型高科技設(shè)備，提高了生產(chǎn)效率大大改善了工廠的工作和生產(chǎn)環(huán)境。
總之，HARSVERT-A變頻器在首鋼皮帶廠除塵風(fēng)機工程的調(diào)速改造中應(yīng)用是相當(dāng)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(yīng)用的證實。在各行各業(yè)，對于許多高壓大功率的輔機設(shè)備推廣和采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可以取得相當(dāng)顯著的節(jié)能效果，而且也得到國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。
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