磁力驅(qū)動(dòng)泵隔離套流固耦合分析與研究

秦娟娟 楊小波 林小軍 劉 君 邢永忠

（1.蘭州工業(yè)學(xué)院，蘭州 730050；2.蘭州石化動(dòng)力廠，蘭州 730060；3.蘭州海蘭德泵業(yè)有限公司，蘭州 730070)

磁力驅(qū)動(dòng)泵是利用永磁體實(shí)現(xiàn)動(dòng)力無接觸間接傳遞的一種化工流程泵，其關(guān)鍵零件為位于內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間的隔離套，工作介質(zhì)則完全密封在隔離套內(nèi)。隔離套是保證磁力驅(qū)動(dòng)泵無泄漏的承壓元件，主要由法蘭盤、筒壁和底組成。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響了磁力驅(qū)動(dòng)泵的工作效率。隔離套的筒壁厚度是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要考量部分。以往的隔離套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，參考類似元器件的力學(xué)分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法反映磁力泵工作時(shí)工作介質(zhì)進(jìn)入隔離套內(nèi)部的過程中液體流動(dòng)的壓強(qiáng)對(duì)隔離套筒壁的應(yīng)力及應(yīng)變情況，故無法得到最佳的設(shè)計(jì)效果。

目前，已有很多學(xué)者開展了對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)泵的研究工作。ZHAO F等[1]采用正交試驗(yàn)優(yōu)化葉輪設(shè)計(jì)，以提高磁驅(qū)動(dòng)泵的液壓性能。GAO Z等[2]利用CFX軟件對(duì)磁驅(qū)動(dòng)泵進(jìn)行全流場數(shù)值研究，得到了冷卻循環(huán)通道的壓強(qiáng)脈動(dòng)特性和泵的外部特性曲線。雖然學(xué)者們對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)泵做了很多有益的研究工作，但是對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)泵隔離套結(jié)構(gòu)受工作介質(zhì)壓強(qiáng)影響的問題研究較少。本文以模型磁力驅(qū)動(dòng)泵隔離套為研究對(duì)象，采用流固物理場耦合方法進(jìn)行隔離套區(qū)域內(nèi)流場對(duì)隔離套結(jié)構(gòu)影響的研究，分析了流場作用下隔離套筒壁的應(yīng)力應(yīng)變情況和總的變形量，以期對(duì)隔離套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 磁力驅(qū)動(dòng)泵關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)及工作原理

磁力驅(qū)動(dòng)泵關(guān)鍵零部件Ⅰ的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由內(nèi)磁轉(zhuǎn)子6、外磁轉(zhuǎn)子7、隔離套4和泵軸5組成。內(nèi)磁轉(zhuǎn)子通過鍵連接在泵軸5上，外磁轉(zhuǎn)子通過鍵連接由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。隔離套位于內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子之間，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的外環(huán)面與隔離套的內(nèi)壁之間有一定的間隙，此間隙為隔離套的工作間隙。部分具有壓強(qiáng)的工作介質(zhì)經(jīng)導(dǎo)流孔3進(jìn)入隔離套工作間隙，再從泵軸中心回流孔12流回至葉輪入口2處[3]。同時(shí)，液流的壓強(qiáng)作用在隔離套的結(jié)構(gòu)上。隔離套的筒壁厚度、工作間隙的大小、隔離套上流場的壓強(qiáng)分布對(duì)隔離套結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等效應(yīng)力應(yīng)變的大小和作用部位，是本文解決的問題。

2 流固耦合場仿真計(jì)算分析

2.1 計(jì)算模型與網(wǎng)格

以80CQ-50型磁力驅(qū)動(dòng)泵為例，隔離套筒壁壁厚為 1.2 mm，隔離套內(nèi)壁與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子外壁工作間隙為2.6 mm。利用SolidWorks軟件建立磁力驅(qū)動(dòng)泵隔離套、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子、泵蓋、套筒和泵軸的固體模型。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以只需取固體模型的一半為仿真計(jì)算模型。忽略固體模型中泵蓋、滑動(dòng)軸承及泵軸回轉(zhuǎn)零部件的軸肩、套筒和圓螺母等結(jié)構(gòu)，簡化固體區(qū)域模型。在ANSYS Workbench軟件中填充得到等比例流體模型，在流體模型中忽略工作介質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)軸承間隙的油液區(qū)域。

為了高效精確地離散化計(jì)算域，在Gambit軟件中對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用六面體網(wǎng)格細(xì)化流體區(qū)域中隔離套與內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的工作間隙部分，以提高流場計(jì)算精度，保證流固交界面上的壓強(qiáng)載荷精確傳遞[4]。其余流體區(qū)域部分用尺寸函數(shù)過渡，采用四面體網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖2（a）所示。在ANSYS Workbench的Static Structural結(jié)構(gòu)分析模塊中，抑制幾何模型中的流體區(qū)域，對(duì)固體區(qū)域隔離套采用四面體網(wǎng)格，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子和泵軸采用六面體網(wǎng)格，固體區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示。

圖2 流固區(qū)域計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.2 流固區(qū)域計(jì)算模型參數(shù)設(shè)置

將劃分好的流體區(qū)域網(wǎng)格導(dǎo)入到ANSYS Workbench中的Fluent流場分析模塊，以80CQ-50型磁力驅(qū)動(dòng)泵為原型，取入口邊界條件為速度進(jìn)口，入口流速為14 m·s-1，入口水力直徑為4 mm；出口邊界條件為壓強(qiáng)出口，且抑制回流，壓強(qiáng)值設(shè)置為0 Pa，出口水力直徑為5 mm；工作介質(zhì)動(dòng)力黏度為0.03 kg·（m·s）-1，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，收斂精度為10-6；隔離套筒壁采用304不銹鋼；假設(shè)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生渦流熱的溫度為45 ℃。

2.3 流固耦合場數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

利用Fluent計(jì)算出冷卻工作介質(zhì)在隔離套內(nèi)部流動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)分布情況，如圖3所示。當(dāng)冷卻介質(zhì)以14 m·s-1的流速從導(dǎo)流孔進(jìn)入冷卻循環(huán)流道時(shí)，液流的通流截面會(huì)收縮產(chǎn)生局部壓強(qiáng)損失，液流流經(jīng)工作間隙后到達(dá)隔離套底部時(shí)的壓強(qiáng)損失為7 200 Pa。工作介質(zhì)由隔離套底部進(jìn)入泵軸中心回流孔時(shí)，液流通流截面也會(huì)發(fā)生變化（形成漩渦）而造成局部壓強(qiáng)損失。回流孔出口為磁力泵葉輪的入口，壓強(qiáng)接近于0 Pa，故在進(jìn)入泵軸中心回流孔處的壓強(qiáng)損失最大為0.2 MPa。將流場所計(jì)算的流固耦合交界面和隔離套筒壁內(nèi)面的壓強(qiáng)值分布作為載荷加載到固體的隔離套上，如圖4所示。流場作用下磁力驅(qū)動(dòng)泵關(guān)鍵零部件的等效應(yīng)力和變形量分別如圖5和圖6所示。

圖3 隔離套冷卻流道流場壓強(qiáng)分布

圖4 流固耦合交界面壓強(qiáng)值加載圖

圖5 流場作用下磁力驅(qū)動(dòng)泵關(guān)鍵零部件等效應(yīng)力

從圖3～圖6可知，從磁力泵導(dǎo)流孔入口進(jìn)入隔離套內(nèi)部冷卻流道流動(dòng)的工作介質(zhì)在A處的壓強(qiáng)值為 0.248 MPa，對(duì)應(yīng)的隔離套結(jié)構(gòu)部分為筒壁與法蘭的過渡處（A′處），其等效應(yīng)力值所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為258.76 MPa，且此處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)工作介質(zhì)進(jìn)入隔離套間隙流動(dòng)時(shí)，壓強(qiáng)為0.24 MPa，在隔離套筒壁處產(chǎn)生等效應(yīng)力，引起筒壁變形。圖6中，B′處的變形量達(dá)到了0.001 3 mm。因此，可以在應(yīng)力集中A′處適當(dāng)增大圓角或切制卸載槽，也可適當(dāng)增加筒壁的厚度或利用熱處理工藝提高筒壁內(nèi)、外表面的表面強(qiáng)度，以達(dá)到優(yōu)化隔離套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

圖6 流場作用下磁力驅(qū)動(dòng)泵關(guān)鍵零部件變形量

由圖6可知，工作介質(zhì)越靠近內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子區(qū)域，變形越大。內(nèi)、外磁轉(zhuǎn)子工作時(shí)產(chǎn)生的溫度為45 ℃時(shí)，內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與泵軸的連接接觸C′處的等效應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)可達(dá)582.2 MPa，并存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，變形量達(dá)到了0.002 9 mm。

3 結(jié)論

本文利用ANSYS Workbench軟件對(duì)磁力驅(qū)動(dòng)泵冷卻流道流場進(jìn)行仿真分析計(jì)算，得到了隔離套工作間隙為 2.6 mm時(shí)冷卻流道壓強(qiáng)分布情況，將流場計(jì)算的流固耦合交界面和隔離套筒壁內(nèi)面的壓強(qiáng)值分布作為載荷加載到固體的隔離套上進(jìn)行單向流固耦合場數(shù)值計(jì)算，具體計(jì)算分析結(jié)果如下。

（1）隔離套筒壁與法蘭的過渡處等效應(yīng)力值所對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)為258.76 MPa，并存在應(yīng)力集中問題，可適當(dāng)增大圓角或切制卸載槽。

（2）工作介質(zhì)在隔離套間隙中流動(dòng)時(shí)，在工作壓強(qiáng)的作用下，隔離套筒壁處會(huì)產(chǎn)生等效應(yīng)力并引起變形，變形量達(dá)到了0.001 3 mm。此時(shí)，可適當(dāng)增加筒壁的厚度或利用熱處理工藝提高筒壁內(nèi)、外表面的表面強(qiáng)度，以達(dá)到優(yōu)化隔離套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的。

（3）內(nèi)磁轉(zhuǎn)子與泵軸的連接接觸處的等效應(yīng)力最大可達(dá)582.2 MPa，并存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，變形量達(dá)到了 0.002 9 mm。