离心压缩机转子叶轮装配应力分析及拆卸方案研究

郭 峰，苏中帅，李秀刚，陈 曦，薄 磊

（沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869）

离心压缩机转子叶轮装配应力分析及拆卸方案研究

郭 峰，苏中帅，李秀刚，陈 曦，薄 磊

（沈阳鼓风机集团有限公司，辽宁 沈阳 110869）

离心压缩机转子叶轮与主轴之间大部分采用过盈配合形式，装配过程一般采用温差法实现，即加热叶轮使内孔膨胀量大于过盈量。离心压缩机转子在检修过程中如需要更换叶轮或转子叶轮间部件，首先经过应力分析得出叶轮受力情况，然后对转子部分叶轮及其他套类零件进行拆卸。采用对叶轮部分区域集中加热的方式使轮与轴之间在短时间内形成温差到达拆卸的目的。

离心压缩机转子；叶轮装配；应力分析；拆卸

0 引言

离心压缩机的转子是整套机组的核心部件，转子质量的优劣直接影响到一套产品是否可以正常的工作。压缩机转子的装配过程及检修过程中的转子解体都需要采用温差法来实现过盈配合的装拆。本文借助有限元分析软件，通过对叶轮装配后的应力分布情况制定检修过程中的解体拆卸方案。通过局部重点加热快速产生温差实现拆卸的新工艺方法，大大的降低了转子解体过程中部件报废的几率。

1 满足过盈值条件下叶轮在装配过程中温度、应力的计算

离心压缩机转子中叶轮与主轴在装配时，要加热叶轮使之温度升高，在加热的过程中整个叶轮会发生膨胀，而叶轮内孔的径向膨胀达到一定温度时，内孔的膨胀量等于过盈量，在这种加热状态下轴、孔之间的过盈值为零。继续提高叶轮的加热温度，使两者之间的间隙可以满足装配需求，叶轮就可装配到轴上。温度下降后，叶轮与轴产生过盈配合，装配完成。

在上述的过程中叶轮实际所需的加热温度，需要考虑到叶轮与轴配合的过盈值和叶轮加热后向轴上套装时的装配要求，同时装配过程中的热量损失也需要一并考虑进行计算。过盈量与温度的关系由下式确定：

△=αD（T-T0）

其中：△—直径过盈量；α—材料的热膨胀系数；D—叶轮孔尺寸；T—加热温度；T0—环境温度。

假设初始设计的过盈量为△0，理论需加热的温度为：

T=△0/αD+T0

使用ANSYS有限元分析程序计算时，取叶轮的零应力参考温度为T，节点温度（终了温度）为T0（取室温为20℃），轴的温度同样设为T0，这样可模拟叶轮由T降到T0就是装配后叶轮的整个工作状态。通过这个温降的过程，我们可以得出在各个温度下的应力轴与叶轮的应力分布情况。

1.1载荷工况和边界条件

ANSYS的前处理的材料特性为：线膨胀系数α为12.5×10-6/℃；泊松比为0.3；弹性模量E为2.1×1011Pa。边界条件：在轴孔的外边界施加周向和轴向约束。

1.2 装配过程分析

1.3 叶轮—轴过盈装配的应力分布有限元分析

图1 叶轮的径向变形分布云图（300℃）Fig.1 Contours of impeller radial deformation(300℃)

过盈连接是孔轴配合尺寸发生干涉的情况下实现的。为了实现孔轴零件两个实体在相互作用条件下的有限元分析，在对孔轴两个零件实体分别进行单元划分的基础上，在孔轴配合表面设置接触单元，传递两个表面的压力。在几何建模时，主要改变轴的尺寸来改变过盈值。

接触单元是覆盖在分析模型接触面之上的一层单元，对于叶轮和轴的过盈接触，我们可以使用面—面的接触单元来模拟模型的柔体—柔体的面面接触。叶轮内孔的接触表面被当作“目标”面，用Targe170来模拟3-D的“目标”面；轴的接触表面被当作 “接触”面，用Con ta174来模拟。图2为轴与叶轮的接触区域，采用ANSYS Workbench进行计算，为保证计算的精确度，在接触区域附近，采用Solid186六面体网格，结构离散化后，全部的模型拥有109070个单元和252604个节点，如图2所示。

2 装配过程加热-冷却温度以及应力研究

当叶轮温度加热到300℃时，开始与轴装配，开始冷却，叶轮与轴孔装配在一起，设定空气传热系数为5.3W/m2℃，分析计算在1000s和5000s时温度的分布云图，如图4所示。图5为在1000s和5000s时的应力分布云图，从图中可以看出，随着温度的降低，叶轮内孔逐步收缩，应力逐渐变大，由于有温度应力的存在，其应力值要略大于在常温状态时的应力值。当温度为常温时，其装配应力为467MPa。

通过上面的介绍，我们了解转子在装配叶轮的过程中的温度、应力分析情况。通过计算的结果，我们在转子拆卸的过程中就可以针对应力集中的区域进行特殊快速加热，同样使用温差法达到拆卸的目的。

图2 轴与叶轮接触区域及有限元模型图Fig.2 The contact area between the impeller and the shaft as well as the finite element model

图3 常温下接触应力分布云图Fig.3 Contact stress contours at room temperature

图4 1000s～5000s时温度分布云图Fig.4 Temperature distribution during 1000s～5000s

图5 1000s～5000s时应力分布云图Fig.5 Stress distribution during 1000s～5000s

3 叶轮拆卸过程中加热方式的研究

转子叶轮的拆卸需要使用氧气、乙炔设备，通过快速加热叶轮使之与轴产生温差实现拆卸过程。氧与乙炔混合燃烧所形成的火焰称为氧乙炔焰。通过调节氧气阀门和乙炔阀门，可改变氧气和乙炔的混合比例得到三种不同的火焰——中性焰、氧化焰和碳化焰。

（1）中性焰。当氧气与乙炔的体积比为1～1.2时，所产生的火焰称为中性焰。它由焰芯，内焰和外焰组成，靠近焊咀处为焰芯，呈白亮色；其次为内焰，呈兰紫色，最外层为外焰，呈桔红色。

（2）碳化焰。当氧气和乙炔的体积比小于1时，燃烧产生的为碳化焰。由于氧气较少，燃烧不完全。整个火焰比中性焰长且温度也较低。

（3）氧化焰。当氧气和乙炔的体积比大于1.2时，则形成氧化焰。乙炔在富氧的条件下充分燃烧，火焰长度明显缩短，焰心呈锥形，内焰几乎消失，氧化焰最大的特点是有较强的丝丝声。

通过计算得出的叶轮叶轮装配所需要温度，我们认为叶轮的拆卸过程使用中性焰中的外焰加热即可。

3.1 叶轮拆卸的工艺步骤介绍

根据叶轮有限元分析的数据，可以得出在常温状态下叶轮的内孔为所受应力最大区域，叶轮轴盘与叶片连接部分应力也较同半径的其他区域应力大。所以加热区域应重点选择这些应力较大的区域进行加热。制定具体加热步骤如下：

（1）对叶轮的盖盘以及轴盘外部进行预热，预热时间根据叶轮直径的大小略有不同，例如直径为1米的叶轮预热时间约为3～5分钟。

（2）对叶轮的叶片、轴盘计算应力较大部分进行集中加热，尤其是轴盘轮毂区域。要求加热过程转子要进行匀速旋转，加热过程中保证氧乙炔焰由内向外加热，尽量避免加热过程中热量向主轴方向过多的传导。

（3）使用温度测量仪检测叶轮以及主轴的温度分布情况，比对有限元分析应力区域分布，要求应力大的区域温度要较高一些。

（4）加热区域的最高温度不允许超过叶轮材料热处理过程中的回火温度，一般直径1000mm的叶轮使用5～6支氧乙炔焰加热半个小时左右即可进行拆卸。

3.2 叶轮拆卸、修复过程

当叶轮加热温度达到拆卸条件时即可进行拆卸，拆卸受力点为叶轮轴盘区域（优先选取轴盘与叶片对应强度高区域）。采用均匀对称的锤击方式（受力点至少两点）。在锤击过程中应继续保持的叶轮的加热状态，并可以采用增加软金属垫片用以保护叶轮受力部位，通过不断锤击直至将叶轮拆卸。

叶轮拆卸后经过自然冷却后安装到工装芯轴上进行端面跳动以及外圆跳动检查。由于叶轮加热后的温度差、叶轮拆卸的锤击会对要求的检测数据产生影响。修复方法按照如下几条进行：

（1）在卧式车床对叶轮进行轴向和径向进行检查，在满足叶片厚度的前提下对轴盘局部变形区域进行车修。

（2）铆工进行整形修复，局部加热变形的塌陷区域可以加热修复。

（3）对叶轮外表面氧化层以及表面低点进行修复处理。

（4）对叶轮出口轮盘外径30mm以里两侧范围（拆卸时敲击范围）进行着色检验。

（5）对叶轮进行低速平衡，然后进行超转试验，检查尺寸变形量。对叶轮进行着色检查。

（6）以上检查各项均满足使用要求后，叶轮可以继续使用。

4 结论

（1）叶轮装配温度可以通过材料热膨胀公式计算出理论温度，考虑到其他外在因素影响后可以确定在实际操作过程中的加热温度。

（2）叶轮拆卸过程中主要依据有限元的分析结果，对应力较大的几个区域集中加热，在这些区域快速升温的过程中与主轴产生温差，达到拆卸的目的。

（3）拆卸后的叶轮，要经过一系列的工艺检查，经过修复后才可以重新使用，这些修复的步骤是不可以忽略的。

[1]徐忠.离心压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1990.

[2]赵连成.金属热处理原理[M].哈尔滨工业大学出版社，1987.

[3]（美）莫维尼（Moaveni,S.）.ANSYS理论与应用[M].电子工业出版社，2008.

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《机电产品开发与创新》杂志社

2014年5月

Studies on Impeller Assembly Stress Analysis and Disassembly of Centrifugal Compressor Rotor

GUO Feng，SU Zhong-Shuai，LI Xiu-Gang，CHEN Xi，BO Lei
（Shenyang Blower Works Group Corporation，Shenyang Liaoning 110869，China）

The form of interference fit is mostly adopted between the impeller and the shaft of centrifugal compressor rotor.Temperature difference,which is commonly used in the assembly process,means the heat expansion of the impeller to make the hole larger than the amount of interference.During the repair process,there is a need to disassemble the impeller rotor section and other sets of parts followed by the stress analysis if we have to replace the impeller or components between the impeller and impeller rotor.Temperature difference between the shaft and the wheel is achieved by heating some areas of the impeller in a short time to realize disassembly.

centrifugal compressor rotor;impeller assembly;stress analysis;disassembly

TP319.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.040

1002－6673（2014）03－101－03

2014－04－03

郭峰（1981-），男，学士，工程师。研究方向：离心压缩机装配工艺编制及压缩机机械运转试验方案的设计。