基于流動(dòng)模擬的多級(jí)離心泵葉輪應(yīng)力變形分析*

倪羽鳳 覃 磊 杜俠明 王 君

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院)

多級(jí)離心泵應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,由于近年來工業(yè)的飛速發(fā)展,離心泵向著高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展，對(duì)葉輪的強(qiáng)度要求越來越高。葉輪的輕微破壞(磨損)將導(dǎo)致葉輪的入口角、出口角變化，影響泵的水利性能；嚴(yán)重破壞(斷裂)將直接影響泵的穩(wěn)定運(yùn)行，因此對(duì)多級(jí)離心泵葉輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，對(duì)保證泵的穩(wěn)定運(yùn)行和指導(dǎo)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要意義。文獻(xiàn)[1,2]對(duì)葉輪內(nèi)液體流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[3]對(duì)葉輪受到離心力作用的情況進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)[4,5]對(duì)葉輪在受到介質(zhì)壓力和離心力情況下進(jìn)行了受力變形分析；文獻(xiàn)[6，7]對(duì)葉輪在受到介質(zhì)壓力，離心力和剪應(yīng)力的情況下進(jìn)行了分析；但是以上文獻(xiàn)沒有對(duì)葉輪的全部受力進(jìn)行耦合分析，載荷分析過于簡(jiǎn)化，與實(shí)際工作狀態(tài)相差較大。

筆者考慮多級(jí)離心泵末級(jí)葉輪承受的介質(zhì)力最大，所以對(duì)十級(jí)離心泵末級(jí)葉輪在空轉(zhuǎn)和實(shí)際運(yùn)行兩種工況進(jìn)行分析。分別考慮葉輪只受離心力和在介質(zhì)力、離心力、前后蓋板摩擦力耦合作用下的受力變形,提出了一種基于FLUENT和ABAQUS的多級(jí)離心泵葉輪有限元分析方法，能夠準(zhǔn)確得到葉輪的應(yīng)力變形規(guī)律。

1 葉輪介質(zhì)力載荷和有限元模型

1.1葉輪介質(zhì)力載荷

在FLUENT中，通過對(duì)多級(jí)離心泵工作過程進(jìn)行流動(dòng)模擬，得到葉輪內(nèi)的介質(zhì)力分布如圖1所示。葉輪前后蓋板的壓力分布相似，壓力由葉輪入口到葉輪出口逐漸變大；葉片的壓力分布由入口到出口逐漸增大，且工作面的壓力高于非工作面的壓力。

圖1 葉輪介質(zhì)力分布

1.2葉輪有限元模型的建立

葉輪主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

材料 ZG1Cr13NiMo

揚(yáng)程 122m

設(shè)計(jì)流量 158m3/h

轉(zhuǎn)速 2 980r/min

葉片進(jìn)口直徑 101mm

葉片出口直徑 308mm

葉片厚度 5mm

葉片進(jìn)口角 10°

葉片出口角 26°

葉片包角 130°

在ABAQUS中建立葉輪模型，對(duì)葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為C3D4，設(shè)置單元尺寸為2，共將模型離散為單元147 962個(gè)，節(jié)點(diǎn)238 942個(gè)，如圖2所示。

圖2 葉輪模型

2 離心泵葉輪受力變形分析

2.1葉輪空轉(zhuǎn)情況下的應(yīng)力變形分布

葉輪空轉(zhuǎn)時(shí)重力影響很小，只考慮離心力的作用。在葉輪輪轂內(nèi)側(cè)表面施加全約束，根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速2 980r/min，繞軸向給整個(gè)葉輪施加轉(zhuǎn)速為ω=312.1r/s的載荷。

2.1.1應(yīng)力分析

空轉(zhuǎn)情況下的應(yīng)力分布如圖3所示，圖片顯示為放大400倍的效果。最大的應(yīng)力為周向應(yīng)力，位于靠近葉輪入口，葉片與前蓋板交界處，大小為15.6MPa；徑向應(yīng)力在葉片與前、后蓋板交界處較其它地方明顯；周向應(yīng)力分布比較均勻，在葉片與前蓋板交界處明顯；軸向應(yīng)力在葉片與后蓋板交界處靠近葉輪入口位置較大。

圖3 葉輪空轉(zhuǎn)情況下的應(yīng)力分布

2.1.2變形分析

葉輪空轉(zhuǎn)工況下的變形分布如圖4所示，圖片顯示為放大400倍的效果。葉輪的變形由葉輪入口到出口逐漸變大，到達(dá)葉輪外緣時(shí)達(dá)到最大，最大變形為4.3×10-3mm。葉輪前后蓋板的變形明顯不同，前蓋板變形較后蓋板變形明顯。

圖4 空轉(zhuǎn)情況下的葉輪變形分布

2.2葉輪實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力變形分布

葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，受到介質(zhì)力、離心力和摩擦力的共同作用。對(duì)葉輪施加旋轉(zhuǎn)離心力、葉輪內(nèi)部介質(zhì)力載荷、摩擦力，對(duì)其進(jìn)行耦合受力變形分析。

摩擦力的計(jì)算式為[8]：

式中λ——摩擦系數(shù)

γ——介質(zhì)重度。

得到摩擦力分布圖如圖5所示，摩擦力的方向與介質(zhì)流動(dòng)方向相同，即沿著流道的切線方向由葉輪入口指向葉輪出口。其中，p1=9.83kPa，p2=3.17kPa，p3=1.04kPa。

圖5 摩擦力分布

2.2.1應(yīng)力分析

實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況的應(yīng)力分布如圖6所示，圖片顯示為放大300倍的效果。軸向應(yīng)力最大，最大應(yīng)力點(diǎn)位于葉片與前蓋板交界處，大小為24MPa；周向應(yīng)力最小；徑向應(yīng)力在葉片與前后蓋板交界處較明顯，其他部位應(yīng)力分布均勻；軸向應(yīng)力在葉片靠近前蓋板的部位比靠近后蓋板的部位明顯；前后蓋板的應(yīng)力分布規(guī)律不同。

圖6 運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的葉輪應(yīng)力分布

2.2.2變形分析

葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的變形如圖7所示。圖片顯示為放大400倍的效果。葉輪的總變形由葉輪入口到出口逐漸變大，在葉輪外緣達(dá)到最大，最大變形分別位于前蓋板靠近葉片非工作面處和后蓋板與葉片交界處，大小為16.80μm；軸向最大變形量為16.77μm，與總變形量近似，對(duì)總變形的影響最大；徑向和周向的最大變形分別為1.20μm和1.70μm，對(duì)總變形的影響較小；葉輪前后蓋板的變形明顯不同，前蓋板變形比后蓋板變形明顯。

圖7 運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的葉輪變形分布

3 結(jié)論

3.1通過對(duì)多級(jí)離心泵內(nèi)部流動(dòng)情況的數(shù)值模擬，得到了多級(jí)離心泵內(nèi)的壓力分布，以流場(chǎng)為載荷邊界條件，分析了葉輪在運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和變形分布，得到了一種基于流場(chǎng)模擬的多級(jí)離心泵葉輪受力變形分析方法。

3.2葉輪運(yùn)行工況下，葉片與前后蓋板連接處的應(yīng)力值較大，其他部位應(yīng)力分布均勻，不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；葉輪軸向應(yīng)力較大，變形主要由軸向變形引起；離心力對(duì)葉輪的應(yīng)力影響較大。

3.3葉輪空轉(zhuǎn)時(shí)，只受離心力的作用，應(yīng)力在葉片與前后蓋板交界處靠近葉輪入口位置明顯，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處葉輪結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)；葉輪的變形從葉輪入口到葉輪出口逐漸變大，在葉輪邊緣達(dá)到最大；前后蓋板變形分布明顯不同，前蓋板的變形較后蓋板明顯。

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