典型調速工況大功率液力偶合器葉輪裝配體強度分析

盧秀泉 朱曉輝 張劍楠 胡春玉

摘? ?要：隨著大型核/火電站裝機容量的大幅度增加，大功率液力偶合器作為電站系統主鍋爐給水泵調速的核心元件，其工作葉輪的強度成為影響電站系統安全穩定運行的重要因素.文章以某型液力偶合器葉輪裝配體為研究對象，采用單向流固耦合計算方法，建立全流道流固耦合分析模型，其中泵輪與渦輪套的端面定位采用接觸算法，用梁單元模擬螺釘聯接效果，對典型工況下葉輪裝配體結構強度計算分析.結果表明，裝配體整體變形和應力隨著轉速比的增大呈增加趨勢，且葉輪變形大小與對應區域旋轉半徑長度基本成正比，說明離心載荷是影響葉輪裝配體強度的主要原因;由于螺釘預緊力效應，葉輪連接區域出現局部應力集中現象;渦輪套內緣是葉輪裝配體結構強度的薄弱區域，此分析結果與文獻發表結果相吻合.此項研究工作為自主大功率液力偶合器葉輪結構設計及優化提供有效的應用理論指導.

關鍵詞：葉輪裝配體強度;液力偶合器;單向流固耦合;CFD

中圖分類號：TH137.33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Strength Analysis of Impeller Assembly Structure of

High Power Hydrodynamic Coupling under Typical Speed Regulation

LU Xiuquan？覮，ZHU Xiaohui，ZHANG Jiannan，HU Chunyu

（College of Mechanical and Aerospace Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China）

Abstract： With the large increase of the capacity of large nuclear / thermal power stations， high power hydraulic coupling is the core component of the main boiler feed water pump， and the strength of working impeller has become an important factor affecting the safety and stability of the power station system. In this paper， the impeller assembly body of a certain hydraulic coupler was taken as the research object. A fluid solid coupling analysis model of the full flow passage was established by the one way fluid solid coupling calculation method. The contact algorithm was used in the end face location of the pump wheel and the turbine sleeve， and the beam element was used to simulate the screw connection effect， calculation and analysis of strength of impeller assembly structure under typical working conditions. The results show that the overall deformation and stress of the assembly increase with the increase of the rotational speed ratio， and the deformation size of the impeller is basically proportional to the length of the rotation radius in the corresponding region. It shows that the centrifugal load is the main reason that affects the strength of the assembly body of the impeller， and the local stress concentration in the connection area of the impeller appears due to the screw pretightening force effect. The inner edge of the turbine sleeve is the weak area of the impeller assembly structure strength， and the analysis results are consistent with the existing results. This research work provides an effective theoretical guidance for the structural design and optimization of the impeller of the autonomous high-power hydraulic coupling.

Key words： impeller assembly strength;hydrodynamic coupling;one-way fluid-structure interaction;Computational Fluid Dynamics（CFD）

大功率液力偶合器傳動裝置是大型核電站和火電站主鍋爐給水泵匹配的重要調速節能裝備. 由于相關核心技術和設計理論的欠缺，制約了我國自主液力偶合器傳動裝置產品的發展和升級，無法適應當前功率和轉速大幅提升后的性能匹配要求. 泵輪、渦輪和渦輪套組成的工作葉輪裝配體是液力偶合器傳動裝置傳遞動力的關鍵元件，在調速工況中葉輪裝配體在離心載荷和與工作腔內流體傳動介質的流固耦合雙重作用下，工作葉輪的受力狀態極其復雜，一旦葉輪結構及其葉片發生破壞將直接導致動力連接失效，嚴重威脅到大型電站系統工作的安全性和可靠性.因此保證液力偶合器葉輪強度是其結構設計的關鍵問題[1-3].

國內外對液力傳動元件的強度問題已有了廣泛關注并展開相關的研究工作. 文獻[4-10]中的國內學者采用有限元分析方法對液力偶合器葉輪強度做了大量的研究工作，但在計算時均采用相似計算法或經驗公式對流體載荷做相應的簡化處理，由于欠缺不同工況條件下準確的流體載荷信息，不能滿足葉輪強度分析的精度要求.為了提高葉輪強度的計算精度，文獻[11-15]從流場分析的CFD計算結果中提取流場壓力載荷信息施加到結構有限元計算模型上，采用單向流固耦合方法實現了對液力變矩器葉片及葉輪較為準確的強度計算. 文獻[16-19]采用雙向流固耦合的方法重點對葉片結構在與流體動態耦合過程中的應力和變形展開研究.以上研究的分析模型均是針對葉片或單個葉輪，無法體現實際葉輪裝配體結構的受力特點，文獻[20]采用有限元方法對調速型液力偶合器葉輪整體強度計算分析，但對計算模型做了大量的簡化處理. 國外在關于液力傳動元件葉輪強度方面發表的文獻較少，文獻[21]采用有限元方法對簡化后的調速型液力偶合器葉輪模型整體強度進行計算，指出了葉輪強度薄弱的區域. 文獻[22]采用單向流固耦合方法分別建立了液力變矩器葉片和葉輪整體計算分析模型，通過對兩套強度計算結果的對比分析，證明了葉片計算模型的強度計算結果不夠精確具有分析局限性.

上述研究表明流固耦合分析方法是計算葉輪結構強度的有效手段，而目前對液力元件強度的研究主要針對單個葉輪模型，而實際工作中液力偶合器三個工作輪（泵輪、渦輪和渦輪套）在結構和受力上彼此關聯和耦合實現動力的傳遞.因此，本文采用單向流固耦合的方法重點研究大功率液力偶合器裝配體葉輪強度，建立的計算模型考慮接觸算法同時用梁單元對連接結構進行當量的替代，以期獲得典型工況下較為準確的葉輪裝配體強度狀態.本文的工作對大功率液力偶合器葉輪結構設計和優化有一定的指導作用.

1? ?相關理論及方法

1.1? ?單向流固耦合方法

本文葉輪裝配體分析模型主要受到離心力和流體壓力兩種載荷.流體載荷通過流體-固體耦合面傳遞給結構有限元模型，由于流體與結構的網格模型在耦合面上的節點無法一一對應，流體載荷在節點上需進行相應的插值運算.單向流固耦合強度計算流程，如圖1所示.

1.2? ?接觸算法

葉輪裝配體分析模型中的泵輪和渦輪套由一組螺釘按照一定的預緊力剛性連接，在兩者端面處形成接觸關系，交界面接觸屬于柔體-柔體的接觸問題.因此，仿真計算時泵輪和渦輪套的接觸面構成一個“接觸對”，程序通過一個共享的實常數來識別“接觸對”.

處理此類彈性接觸問題，需要求解基本平衡方程.兩彈性接觸體的初始間距為Z，在載荷Q的作用下，其彈性趨近量為δ，產生的接觸區域為AC，此時接觸應力應滿足以下方程：

式中：Q為作用載荷;σ為接觸應力;AC為接觸區域.

其次是變形協調方程：

式中：δ為接觸體之間的彈性趨近量;z為接觸表面之間的初始間距;E1、E2分別為兩彈性體的彈性模量;μ1、 μ2 分別為兩彈性體的泊松比.方程（2）和（3）是求解彈性接觸問題的基礎.本文研究對象葉輪材料為高強度合金鋼，密度為7 860 kg/m3，彈性模量為203 000 MPa，泊松比為0.3.

2? ?單向流固耦合計算

2.1? ?計算分析模型的建立

圖2為大功率液力偶合器的三維幾何模型.其工作葉輪由泵輪、渦輪和渦輪套組成，泵輪和渦輪套通過螺釘組件連接.泵輪和渦輪對立布置形成工作腔，泵輪和渦輪之間的軸向距離為5 mm，循環圓直徑為422 mm，泵輪和渦輪葉片的數量分別為47和48，直葉片沿徑向均勻分布. 圖2（e）所示為工作腔流道幾何模型.

圖3為液力偶合器網格模型.其中，圖3（a）為葉輪裝配體網格模型，采用BEAM188梁單元模擬泵輪和渦輪套的螺釘連接部分如圖3（b），圖3（c）所示為泵輪網格細節圖.圖3（d）為對應的流道網格模型，為了保證計算的收斂性和精度，采用六面體結構化網格進行劃分，并對壁面及無葉柵區域的邊界層網格進行加密保證計算結果的準確性，流道局部加密網格如圖3（e）所示.

2.2? ?計算設置及分析方案的確定

采用滑移網格算法實現對泵輪和渦輪計算域在交界面的信息交換，以避免網格更新能力與流場加速運動不匹配導致的計算不收斂問題.本文所采用的SBES算法屬于混合RANS/LES方法，它綜合了RANS與LES的各自特點，對整個流場采用分區處理的方法，在近壁區采用RANS方法求解湍流邊界層流動，遠離壁面區域采用LES方法，相對其它湍流數值模型具有較高的計算精度.

調速型液力偶合器工作時，輸入轉速不變，通過調節充液量實現負載的調速要求.本文計算時典型工況的選取參照調速曲線，分別選取了額定工況（i = 0.97，q = 100%）、牽引工況（i = 0.8，q = 60%）和效率損失最大的工況（i = 0.667，q = 45%），泵輪輸入轉速為6 300 r/min.

3? ?結果分析

圖4為額定工況葉輪裝配體結構變形對比圖，圖4（a）為本文計算結果，圖4（b）為文獻[22]中同工況下的計算結果.通過對比分析，兩者裝配體整體變形分布趨勢一致且結構總體變形量較小，最大變形均出現在渦輪套內緣.

圖5是典型工況下裝配體變形對比圖，表1為對應工況單個葉輪變形對比圖.結果表明隨著充液率、轉速比的升高，裝配體整體變形呈增大趨勢.由于泵輪與渦輪套剛性連接，其受力狀態與懸臂梁結構比較類似，渦輪套相當于懸臂梁的自由端，因此裝配體最大變形發生在渦輪套靠近轉軸的內緣處.

圖6為泵輪葉片沿徑向提取的網格節點位置和典型工況下泵輪葉片對應網格節點位置變形對比曲線. 結合表1可以看出，在泵輪輸入轉速一定的前提下，泵輪葉片變形隨著充液率和轉速比的增大而增大，由于泵輪輸入轉速不變，因此流體載荷對其泵輪葉片的變形起主導作用.隨著充液率、轉速比的升高，渦輪葉片受到變化的離心力和流體載荷的雙重作用，葉片變形呈增大趨勢.

圖7為典型工況裝配體應力對比圖，表2為對應的典型工況工作葉輪應力對比圖.隨著充液率、轉速比的增大，葉輪裝配體的應力也隨之增大，增大到484 MPa左右達到峰值，小于材料的屈服極限800 MPa.裝配體局部最大應力出現在梁單元與其固連的網格節點區域，出現應力集中現象，可以體現泵輪和渦輪套由螺釘組件連接區域的受力特點.

圖8為沿泵輪葉片根部提取的網格節點位置和對應節點位置的應力對比曲線. 隨著充液率和轉速比的升高，葉片根部應力的整體數值呈升高趨勢，但由于流體對葉片沖擊作用，導致葉片根部應力分布曲線出現不規律的情況.同時結合表2看出，泵輪、渦輪整體應力分布趨勢較為平緩，葉片根部應力相對比較大，這是由于在葉輪旋轉過程中，葉片受力類似于懸臂梁結構，流體沖擊葉片表面葉片根部承受較大的彎矩作用，同時局部區域出現應力集中現象.

4? ?結? ?論

本文采用單相流固耦合方法，建立考慮接觸的液力偶合器葉輪裝配體分析模型，實現了對典型工況下葉輪結構強度的計算分析.計算結果表明，裝配體結構的最大變形出現在渦輪套靠近轉動中心的內緣處，此分析結果與文獻[22]的計算結果相一致，結構設計時需加強此處的結構剛度;裝配體整體變形和應力隨著轉速比的增大呈增加趨勢，且與對應區域旋轉半徑長度基本成正比，說明離心載荷是影響葉輪裝配體強度的主導因素;葉輪在螺釘連接區域出現應力極值，易于出現應力集中現象，裝配時需合理確定預緊力大小.本文的工作為自主大功率液力偶合器葉輪結構設計及優化提供有效的應用理論指導.

參考文獻

[1]? ? 劉應誠.液力偶合器實用手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2008.

LIU Y B. Hydraulic coupling practical manual[M]. Beijing： Chemical Industry Press，2008.（In Chinese）

[2]? ? 林斯燕.調速型液力偶合器在中國電力行業的應用[J]. 流體傳動與控制，2005（6）：19—22.

LIN S Y. Application of variable speed fluid couplings in electric power industry[J]. Fluid Power Transmission & Control，2005（6）：19—22. （In Chinese）

[3]? ? 趙亮，馮春平，林沖，等. 核電站電動給水泵組液力偶合器選型探討[J]. 湖北電力，2011，35（4）：71—73.

ZHAO L，FENG C P，LIN C，et al. Exploration to select the hydraulic-coupling of motor driven feed water pump sets in nuclear power plant[J]. Hubei Electric Power，2011，35（4）：71—73. （In Chinese）

[4]? ? 李婭娜，邵萬珍，兆文忠. YOT_（CHP）465調速型液力偶合器葉輪強度的有限元分析[J]. 大連交通大學學報，2007，28（2）：30—33.

LI Y N，SHAO W Z，ZHAO W Z. Finite element analysis of impeller strength in speed? -regulation hydro-couplings with model? ? ?YOTCHP-465[J].Journal of Dalian Jiaotong University，2007，28（2）：30—33. （In Chinese）

[5]? ? 龐潔. YO750液力偶合器葉輪強度有限元分析[J].內燃機車，2009（2）：23—25，34，56.

PANG J. Finite element analysis of impeller strength of YO750 fluid coupling[J]. Diesel Locomotives，2009（2）：23—25，34，56. （In Chinese）

[6]? ? 黃家良，邵萬珍. YOCQ550調速型液力偶合器葉輪強度的有限元分析[J].機械工程師，2008（11）：65—66.

HUANG J L，SHAO W Z. Finite element analysis of impeller strength of YOCQ550 model speed- regulation hydro-couplings[J].Mechanical Engineer，2008（11）：65—66. （In Chinese）

[7]? ? 邵萬珍，兆文忠，李婭娜，等. 調速型液力偶合器葉輪強度有限元分析[J].大連交通大學學報，2010，31（4）：105—108.

SHAO W Z，ZHAO W Z，LI Y N，et al. Finite element analysis of impeller strength for speed-regulation hydro-couplings[J].Journal of Dalian Jiaotong University ，2010，31（4）：105—108. （In Chinese）

[8]? ? 趙美，聶文科，郭忠. 雙腔液力偶合器葉輪的有限元分析[J].煤礦機電，2011（1）：45—47.

ZHAO M，NIE W K，GUO Z. Finite element analysis of blade wheel in dual-chamber hydraulic coupling[J]. Colliery Mechanical & Electrical Technology，2011（1）：45—47. （In Chinese）

[9]? ? 李岳峰，謝夢書，李松山，等. 液力偶合器葉輪強度分析及試驗驗證[J].機械設計與制造工程，2014，43（9）：23—26.

LI Y F，XIE M S，LI S S，et al. The Strength analysis and experimental verification for the impeller of fluid coupling[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering，2014，43（9）：23—26. （In Chinese）

[10]? 段鵬飛，姜文震，吳岳，等. SVTL調速型液力偶合器葉輪強度有限元分析[J].科技與創新，2015（1）：15—16.

DUAN P F，JIANG W Z，WU Y，et al. SVTL impeller speed hydraulic coupling strength finite element analysis[J]. Science and Technology & Innovation，2015（1）：15—16. （In Chinese）

[11]? 魏巍，閆清東，朱顏. 液力變矩器葉片流固耦合強度分析[J].兵工學報，2008，29（10）：1158—1162.

WEI W，YAN Q D，ZHU Y. Strength analysis of fluid solid interaction field of hydrodynamic torque converter vanes[J]. Acta Armamentarii， 2008，29（10）：1158—1162. （In Chinese）

[12]? 閆清東，劉樹成，姚壽文，等. 大功率液力變矩器葉輪強度有限元分析[J].兵工學報，2011，32（2）：141—146.

YAN Q D，LIU S C，YAO S W，et al. Finite element analysis of blade wheel strength of a high-powered torque converter's[J]. Acta Armamentarii，2011，32（2）：141—146. （In Chinese）

[13]? 劉樹成，閆清東，魏巍，等. 基于穩定工作點的變矩器葉輪強度有限元分析[J].中國機械工程，2013，24（14）：1922—1926.

LIU S C，YAN Q D，WEI W，et al. A finite element analysis of blade-wheel′s strength on torque converters based on steady operating conditions[J]. China Machinery Engineering，2013，24（14）：1922—1926. （In Chinese）

[14]? 呂倩，尹明德，王發穩.基于流固耦合的液力變矩器的泵輪葉片強度分析[J].機械工程與自動化，2014（3）：23—25.

L？譈 Q，YIN M D，WANG F W. Hydrodynamic torque converter pump vane strength analysis based on fluid-solid interaction[J].Mechanical Engineering and Automation，2014（3）：23—25. （In Chinese）

[15]? 蔣勇，侯天強，劉光隆.基于流固耦合的液力變矩器泵輪葉片結構強度分析研究[J].機械工程師，2016（3）：173—175.

JIANG Y，HOU T Q，LIU G L. Structural strength analysis of hydraulic torque converter impeller based on fluid solid coupling[J].Mechanical Engineer，2016（3）：173—175. （In Chinese）

[16]? 陸忠東，吳光強，殷學仙，等. 液力變矩器流固耦合研究[J]. 汽車技術，2009（2）：37—41，57.

LU Z D，WU G Q，YIN X X，et al. Study on fluid-solid interaction of torque converter[J].Automobile Technology，2009（2）：37—41，57. （In Chinese）

[17]? 閆清東，劉博深，魏巍. 基于動網格的沖焊型液力變矩器流固耦合分析[J].華中科技大學學報（自然科學版），2015，43（12）：37—41.

YAN Q D，LIU B S，WEI W. Fluid structure interaction simulation on torque converter with dynamic mesh[J].Huazhong Univ of Sci &Tech （Natural Science），2015，43（12）：37—41. （In Chinese）

[18]? 饒銀，李長友，黃俊剛. 液力緩速器雙向流固耦合研究[J].機床與液壓，2015，43（1）：116—122.

RAO Y，LI C Y，HUANG J G. Study on two-way FSI of hydraulic retarder[J]. Machine Tool & Hydraulics，2015，43（1）：116—122. （In Chinese）

[19]? 王安麟，劉偉國，龍廣成. 基于液力變矩器流固耦合的葉片厚度設計方法[J].同濟大學學報（自然科學版），2015，43（4）：599—604.

WANG A L，LIU W G，LONG G C. Design method of blade thickness based on fluid-structure interaction of hydrodynamic torque converter[J].Journal of Tongji University （Natural Science），2015，43（4）：599—604. （In Chinese）

[20]? 張志宏，王振，李紀強，等. 齒輪調速裝置偶合器受力分析及強度計算[J].機械傳動，2012，36（12）：56—59.

ZHANG Z H，WANG Z，LI J Q，et al. Force analysis and strength calculation of gear variable speed coupling[J]. Mechanical Drive，2012，36（12）：56—59. （In Chinese）

[21]? KIMURA K. Variable speed fluid coupling with built-in high speed step up gear for 1000 MW TEPCO power plant[J]. Ebara Engineering Review，1987（138）：51—54.

[22]? YAMAGUCHI T，OKUMURA A. Torque converter stress analysis by transient FSI technique[C]//ASME-JSME-KSME 2011 Joint Fluids Engineering Conference，AJK2011. Japan，ASME，2011：2205—2210.