關于離心泵內部流體周期性脈動誘發葉片共振疲勞研究

摘 要：【目的】分析離心泵葉片共振疲勞斷裂機理，從而延長和提高離心泵壽命和可靠性。【方法】通過CFD數值模擬方法開展輸油泵的內部流體周期性脈動規律研究?！窘Y果】通過內部流體流動特性研究與周期激振下的葉片疲勞分析，找到了輸油泵葉片疲勞斷裂的根本原因是壓力脈動激振頻率接近葉片的自然固有頻率，引發了葉片結構共振，從而在根部產生較大交變應力，導致了葉片疲勞斷裂。針對疲勞斷裂機理，總結了結構改進方向，綜合經濟可行性，確定了優化改進方案。【結論】研究成果是對離心泵產品結構可靠性設計技術的重要補充，為后續同類產品結構設計提供了參考。

關鍵詞：離心泵；共振；疲勞斷裂；周期性脈動

中圖分類號：TH311" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）04-0037-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.04.008

Study on Vane Resonance Fatigue Induced by Fluid Periodic Pulsation in Centrifugal Pump

SUN Yubo1 LIANG Wenna2 LIANG Guoli2 LIU Jiamin2

（1.Military Representative Office of Haizhuang Stationed in Luoyang Area， Luoyang" 471000， China;

2.Xinxiang Aviation Industry Group Co.， Ltd.， Xinxiang" 453003， China）

Abstract： [Purposes] The resonance fatigue fracture mechanism of centrifugal pump blade is analyzed to improve the life and reliability of centrifugal pump. [Methods] In this paper， CFD numerical simulation method is used to study the periodic pulsation of internal fluid in oil pump. [Findings] Through the study of internal fluid flow characteristics and blade fatigue analysis under periodic excitation， it is found that the root cause of fatigue fracture of the oil pump blade is that the pressure pulsation exciting frequency is close to the natural frequency of the blade， which triggers the blade structure resonance， and thus produces a large alternating stress at the root， leading to fatigue fracture of the blade. According to the fatigue fracture mechanism， the structural improvement direction is summarized， which has important reference value for the subsequent product structural design. The optimization and improvement plan is determined based on the economic feasibility. [Conclusions] The research results of this paper are an important supplement to the reliability design technology of centrifugal pump product structure， and have important guiding significance" for the subsequent structural design of similar products.

Keywords： centrifugal pump; resonance; fatigue fracture; periodic pulsation

0 引言

誘導輪、葉輪作為離心泵的核心部件，一旦出現斷裂失效，將會對設備的運轉產生重大的影響。機身輸油泵作為飛機燃油系統的關鍵附件，不僅要保證燃油按照一定順序和比例輸送到消耗油箱，由消耗油箱供給發動機從而為飛機提供動力，而且還通過燃油的及時輸送來保持飛機平衡，使飛機的重心保持在一定范圍內。泵芯葉片斷裂會導致輸油泵無法正常工作，進而影響發動機的正常工作，甚至影響飛行安全。

1 研究對象

1.1 產品結構

以離心式結構的某機身輸油泵為研究對象，該泵主要由泵殼和泵芯兩大部分組成，其中泵殼由殼體、濾網組件、出口管接頭等零件組成。泵芯由電機、誘導輪、葉輪、進油口等零件組成。

1.2 葉片斷裂故障現象

某輸油泵在外場使用過程中突然出現泵體出口無壓力現象，拆解發現其泵芯內誘導輪、葉輪葉片全部斷裂且緊固件無松動現象，如圖1所示。

1.3 斷口理化分析

對故障件中疲勞斷裂區域進行理化分析，在掃描電鏡下觀察誘導輪的中心導柱斷口，發現裂紋起源于葉片的端部，如圖2所示，裂紋擴展方向如圖3所示，裂紋擴展區放大后可觀察到疲勞輝紋。瞬斷區形貌呈韌性斷裂特征，疲勞擴展區約占整個斷口面積的85%以上。葉輪斷口在掃描電鏡下主要呈韌性斷裂特征，如圖4所示。

由圖2可知，誘導輪的一個葉片為多源疲勞斷裂，疲勞源位于葉片根部，較大應力是葉片萌生疲勞裂紋的主要原因。誘導輪另一個葉片和葉輪葉片為過載斷裂，斷裂位置均在葉片根部，疲勞斷裂的葉片產生裂紋之后與其他葉片碰撞，導致其他葉片受到異常應力從而造成斷裂。

2 內部流體流動特性研究

為了探究誘導輪葉片疲勞斷裂的根本原因，現通過CFD數值模擬方法開展輸油泵的內部流體周期性脈動規律研究。采用專業的Pumplinx的Simerics MP+求解器完成輸油泵在工作運轉下的瞬態性能仿真計算。

2.1 監測點設置

為了提取各自位置的壓力脈動曲線，在計算模型中從誘導輪介質流入區、中間和流出區共布置12個監測點，監測點布置如圖5所示。

2.2 不同監測區域內部流場壓力脈動分析

對機身輸油泵進行4個旋轉周期的數值計算［1］，提取了各自監測點的壓力幅值，監測點壓力脈動曲線如圖6所示。由圖6可知，葉片周邊的流體均呈現周期性波動，且流體剛進入葉片區域時波動幅值更大，壓力面相較于吸力面的波動程度更加劇烈。當流體介質隨著葉片的旋轉推動來到中間區域和出口區域時，壓力波動明顯減緩且壓力面和吸力面的波動趨于一致、穩定。

為了進一步研究壓力脈動的頻率特性，提取監測點B、F、J壓力脈動曲線進行傅里葉變換，得到頻譜圖，如圖7所示。由圖7可知，壓力脈動頻率與旋轉軸頻之間呈現整數倍的關系，且在4倍頻、8倍頻、6倍頻、12倍頻處脈動幅值相較于周邊明顯增大。另外，隨著流體來到中間區域和流出區域，壓力脈動相對減緩，且脈動頻率成分明顯減少。

2.3 脈動頻率原因分析

脈動頻率與離心泵結構特征直接相關，工作狀態下燃油介質從泵殼的進口進入，該位置處存在6個支撐筋將流體分離為6個通道，如圖8（a）所示。緊接著流體經過泵芯進口，該泵芯設計了4個支撐筋將流體再次分離為4個通道，如圖8（b）所示，且濾網口支撐筋和葉輪外殼支撐筋基本不重疊，流體通道區域會存在較大的壓力和流速，而非流體通道區（支撐筋處）流速非常低，當旋轉葉片每轉動一周，內部流體會周期性經過流體通道和非流體通道，從而導致葉片承受周期性的壓力脈動。

3 周期激振下的葉片疲勞分析

3.1 內部流體激勵頻率分析

當激振力的頻率或頻率中任何一個諧波頻率與葉片的固有頻率相同和相近時會引起結構共振，旋轉下產生的周期性脈動激勵頻率計算公式見式（1）［2］。

[f=j·N·Ω] （1）

式中：j為諧振階次，一般考慮1、2階次，階次越高激振能量越弱；N為上游通道數量；[Ω]為旋轉軸頻，此機身輸油泵轉速為8 900 r/min，則[Ω=148.3 Hz]。

①濾網口6通道產生的壓力脈動頻率的計算如下：當N=6、j=1，f=889.8 Hz；當N=6、j=2，f=1 779.6 Hz。

②葉輪殼體4通道產生的脈動頻率的具體算數如下：當N=4、j=1時，f=593.2 Hz；當N=4、j=2時，f=1 186.4 Hz。

3.2 誘導輪葉片模態固有頻率分析

本研究對誘導輪的模態［3］進行分析，提取模態固有頻率。分析前6階的模態振型，具體如圖9所示，提取模態固有頻率見表2。將誘導輪葉片固有頻率與壓力脈動激振頻率進行列表對比，具體見表3。

3.3 誘導輪葉片疲勞原因分析

對比葉片固有頻率和壓力脈動激振頻率，可以看出壓力脈動的最高激振頻率1 780 Hz與葉片第1階模態頻率1 844.7 Hz較為接近，此時工作轉動下流體介質的附近質量和阻尼特性會進一步拉低葉片的

固有頻率，而該因素無法在計算模型中精確考慮，因此實際葉片的固有頻率會比計算結果適當降低，從而造成壓力脈動頻率激發葉片1階模態發生共振，共振下的變形形態為葉片上下擺動，該形態下會導致應力集中在葉片根部，該位置極易產生疲勞裂紋。

4 結論

通過以上仿真及斷面形貌分析可知，機身輸油泵葉片斷裂由于是輸油泵泵殼進口處有6個周期性結構特征明顯的窗口，當上游介質通過窗口時，會產生周期性載荷激勵，該激勵的二倍頻與誘導輪1階固有頻率接近，進而引發誘導輪的異常振動［4］。機體的長時間共振引起局部應力集中從而發生疲勞斷裂。針對疲勞失效機理，研究并總結可行的結構改進方向［5］，見表4。

根據輸油泵結構的改進方向，綜合考慮經濟可行性，最終選取的改進方向為對誘導輪葉片結構進行優化，在保證性能滿足要求的前提下通過改變葉片數調整旋轉部件自身的固有頻率，使周期性液體脈動頻率與葉片自身固有頻率不具有倍數關系，從而避免壓力脈動激發其共振。

參考文獻：

［1］譚林偉.單葉片離心泵非定常流動特性及誘導徑向力的數值模擬與實驗研究［D］.鎮江：江蘇大學，2018.

［2］魏群.縫隙引流葉片式離心泵壓力脈動特性及其機理研究［D］.上海：上海大學，2018.

［3］曹樹謙，張文德.振動結構模態分析：理論、實驗與應用［M］.天津：天津大學出版社，2001.

［4］趙鵬.離心泵振動故障診斷方法研究及系統實現［D］.北京：華北電力大學（北京），2011.

［5］張巍.離心泵的振動分析及預防措施［J］.化工裝備技術，2008（2）：69-71.