基于流固耦合的轴流泵流动与可靠性分析_夏斌.pdf

书书书2023 年第 1 期基于流固耦合的轴流泵流动与可靠性分析*夏斌1，2金雷2朱庆龙2胡薇2李连颖2（1 无锡职业技术学院 机械技术学院，江苏无锡214121；2 合肥恒大江海泵业股份有限公司，合肥231135）摘要：某泵站中的轴流泵是整个调水工作正常进行的关键设备。针对轴流泵运行的高效性和安全性问题展开分析，通过数值模拟的方法研究设计工况下轴流泵内部的流动状况、预测水力性能。在流场计算结果的基础上，对轴流泵包括叶轮、转轴的转子进行建模，运用 软件对叶轮内流场与转子进行了流固耦合数值模拟，分析叶轮部件的受力与变形情况，校核工作轴的临界转速，为轴流泵的安全运行提供依据。关键词：轴流泵流固耦合静力学分析临界转速中图分类号：311文献标识码：*基金项目：江苏省高等学校自然科学基金面上项目（.19470006）；无锡职业技术学院科研课题项目（.2018 01）某泵站中，采用轴流式叶轮作为对水做功增压的核心部件，为水的调节提供动力1。轴流泵在泵站中的部分如图 1 所示，轴流叶轮两侧进口段和出口段流道中间均匀分布三片厚度为 25 的导流叶片，起支承与导流作用。轴流泵主要零件转轴的材质为 213，叶轮材质为 1189。叶轮设计参数：设计流量 15 3 54000 3，设计扬程 3，额定转速 146 。轴流泵进口处有约 3.2 倒灌，进口处压力约 1.32。图 1某泵站轴流泵部分1轴流泵的流场计算1.1计算模型建立与网格划分轴流泵流场计算区域主要为轴流叶轮、进口段和出口段部分，首先根据设计的轴流叶轮水力及零件图建模，得到叶轮三维模型，如图 2 所示。采用叶轮模型切除叶轮区域，导流叶片切除进口段和出口段，得到液体在内部流动的水体区域，为保证进出口流动稳定且不受旋转部件的影响，在进出口分别延长一段 1500 的长度，得到轴流泵流场计算水体模型，如图 3 所示2。本文使用 软件对计算模型划分网格。考虑到模型的复杂性，使用对复杂边界流场问题有很好适应性的非结构网格进行网格划分，网格划分完图 2轴流叶轮三维模型912023 年第 1 期图 3轴流泵流场计算模型毕后即可导入 流动分析软件3。1.2边界条件设置与计算数值模拟采用对壁面流固分离具有很高计算精度的 湍流模型。计算中，固体壁面设置为表面粗糙度为 16 的壁面边界条件。进口边界条件设置为总压进口（），压力为1.32；出口边界条件设置为质量流量速度出口（），为15000 ；转动情况参照相对域 的 运 动 情 况 来 设 置，叶 轮 旋 转 域 转 速 为146 ；水温 25，设置收敛精度为 105 4。1.3流场计算结果分析叶片表面压力即为强度计算前的载荷条件，根据流场计算得到叶片表面压力分布图，如图 4 所示。总体上，从流道进口到出口，静压逐渐增大，进口边出现局部低压区，为易汽蚀区域。由图 4（）可知，叶片背面由于进口边动静域的干涉影响，使得进口处区域流动不稳定，出现压力降低区域，随着叶轮的做功，压力逐渐增大，在出口处达到最大。由图 4（）所示，随着工作面对流体不断做功，叶片表面压力沿径向方向逐渐增大，叶轮叶片的水力性能和工作状态较好。对比图 4（）和图4（）可知，除去由于动静干涉导致的进口处压力不稳定区域外，工作面的压力明显高于背面。从轮毂到轮缘，工作面和背面的压力差逐渐增大，说明叶片做功能力逐渐增强，叶片设计良好5。轮毂外侧和盖板内侧的压力分布如图 5 所示，轮毂外侧与盖板内侧压力分布相似，进口小，出口大。叶片翼型两侧压力差明显，工作面明显高于背面。由于叶片做功，从进口到出口具有明显的压力梯度6。图 4叶片表面压力云图图 5轮毂外侧和盖板内侧压力云图由流场模拟分析结果可知，轴流泵在设计工况时预测扬程为 3.1，与设计扬程值接近，表明流场数值模拟有较好的准确性。2基于流固耦合的强度分析2.1计算模型与材料参数轴流泵转子模型包括叶轮、转轴和键，装配后022023 年第 1 期的计算模型如图 6 所示。在耦合计算过程中，将转子模型导入 平台后，通过自动网格划分功能生成网格覆盖模型，定义轴流泵转轴的材料213、叶轮材料 1189，两材料的主要力学参数如表 1 所示。通过 材料编辑器输入，键采用材料库中的 45 号钢。图 6轴流泵转子计算模型2.2流固耦合计算图 7 是转子流固耦合分析计算的工作流程图，首先导入轴流泵内流场的流体动力学分析结果；在 平台里将流体域各节点的压力与速度等物理量作为载荷直接耦合进 结构分析模块，载荷通过流域和固体转子的耦合面传递作用在转子部件上，求解出叶轮等部件的应力应变；最后将各转子部件表面的应力作为初始条件导入 分析模块中进行模态分析，求解转子的临界转速等特性7 8。2.3叶轮强度计算结果分析流固耦合计算完成后提取静力学分析结果得到叶轮的应力分布及变形分布，如图 8、图 9 所示。表 1材料物理性能参数材料密度（3）比热容（）线膨胀系数（106）弹性模量 泊松比抗拉强度 213775051110.52280.2949011897900501.616.62020.286441图 7转子流固耦合分析工作流程图 8叶轮应力分布122023 年第 1 期图 9叶轮变形分布由图 8 可知，叶轮叶片整体应力较小，但部分区域存在应力集中现象。叶片背面与工作面应力分布相似，叶片中部区域主要受到介质压力的影响，应力较小，均处于 15 以下水平。叶片与轮毂、盖板连接处区域应力较大，与轮毂连接处的应力较大区域主要集中于叶轮根部中间，而盖板整个连接处应力均较大，推测是因叶片厚度不均以及连接处的过渡区存在尖端引起。由局部放大图可知，在叶片4 个进出口尖端处出现不同程度的应力集中现象，与盖板连接处的应力集中现象明显，工作面的最大值略高于背面，最大值分别达到了 58 和53。叶片根部进出口两端应力集中现象较小，尖端处的应力集中进口略大于出口，是因进口流动不稳定引起的。整个叶轮应力值大多处于15 以下，应力集中区最大达到 58，远小于材料1189 的许用应力138，叶轮结构设计安全可靠9 10。由图 9 可知，叶片工作面及背面的变形量与叶片的半径呈正比关系，径向梯度明显，这与压力分布相符。叶片顶端变形最大，变形量最大值约0.44，叶轮盖板处变形最大约 0.48，叶轮整体变形较小。3转子临界转速分析3.1临界转速计算与模型本文对轴流泵转子部件临界转速的计算，主要通过一维模型和三维模型进行求解并进行对比分析。采用一维模型时，转子简化为梁 弹簧 集中质量模型，包括 3 个轴承支承、一个叶轮，受到重力和磁拉力作用，方向竖直向下，磁拉力计算给定约为 20000。转子采用梁单元模拟，此单元可定义各轴段横截面形状；轴承采用弹簧单元，叶轮采用集中质量单元，需要输入计算的集中质量（5740）、极转动惯量（4569.08 2）和直径转动惯量（2540.33 2）。三维模型的模态计算则在流固耦合计算完成后，从模态分析模块中提取结果11 12。3.2临界转速计算结果分析转子模型前二阶临界转速如表 2 所示，三维模型振型如图 10 所示。一维模型计算的一阶临界转速为 30.39，二阶临界转速为 44.64，最大振幅均出现在转子叶轮处；在工作转速范围内，转子的振动主要体现为叶轮的摆动，最大振幅约为 1。三维梁模型计算一阶临界转速为 29.044，二阶临界转速为 60.004，最大振幅均出现在转子叶轮处；在工作转速范围内，转子的振动主要体现为叶轮的摆动，一阶和二阶最大振幅约为 0.566。对比一维模型与三维模型的临界转速计算可知，两种模型的一阶转速相近，均在 1800 左右，但二阶转速有一定差别，可能是由于算法区别以及模型简化导致的。两种计算均表明摆动主要出现在叶轮处，最大振幅也出现在叶轮处。对比转子部件工作转速 146 ，可知此转速远小于一表 2转子模型临界转速一维三维阶数一阶二阶一阶二阶频率 30.3944.6429.04460.004临界转速值（）1823.752678.271742.643600.24222023 年第 1 期图 10三维模型振型阶临界转速，且小于 0.751，此转子部件可以看作刚性转子。转子运行是十分安全可靠的，基本上避免了共振现象的发生13 14。4结论1）对轴流泵主要部分进行了整个流场内部的流场分析，设计工况下预测性能与设计参数基本符合，表明计算结果有较好的准确性，各工况下压力、速度分布较为合理。2）基于流固耦合对轴流叶轮进行强度分析，在叶片 4 个进出口尖端与轮毂及盖板连接处出现应力集中，最大应力（约58）与整体应力均远小于材料许用应力；最大变形位于叶片顶端，变形量最大值约0.44，叶轮盖板处最大变形约0.48，均在合理范围内，表明叶轮结构安全可靠。3）对转子进行一维模型和三维模型的模态分析，结果表明，转子部件振幅较小，摆动主要出现在叶轮处；机组实际运行的转速远小于计算的临界转速，转子部件为刚性转子，可以保证转子的运行稳定性。参考文献 1 王境，任棐水利工程中泵站的安全运行管理分析 科技与创新，2021（22）：178 179 2 石丽建，汤方平，谢荣盛，等基于 计算的轴流泵改型设计和效果 农业工程学报，2015，31（4）：97 102 3 周济人，汤方平，石丽建，等基于 的轴流泵针对性设计与试验 农业机械学报，2015，46（8）：42 47 4 ，2014，2014（3）：565061 1 565061 7 5 王东进，王俊华，蔡皖锋基于 的翼型对轴流泵性能影响分析 水泵技术，2019（6）：13 15 6 施卫东，王国涛，蒋小平，等流固耦合作用对轴流泵内部流场影响的数值计算 流体机械，2012，40（1）：31 34 7 ，2017（4）：1561 1568 8 贺玉珍，郭艳磊基于流固耦合的轴流泵压力脉动与动应力的关联性研究 中国农村水利水电，2020（12）：158 163 9 裴迎举，宋文武，庞辉，等基于流固耦合的斜流泵空间导叶多工况强度分析 热能动力工程，2017，32（8）：24 28 10 张新，郑源，毛秀丽，等基于流固耦合的轴流泵叶轮强度分析 水电能源科学，2014，32（7）：137 139，150 11 彭敏，杨琼方，陈志敏，等轴流泵参数化设计及应力与模态特征分析 计算力学学报，2016，33（1）：121 126 12 张琳，施卫东，张德胜，等潜水轴流泵结构动应力分析 排灌机械工程学报，2015，33（12）：1026 1032 13 张骞高速潜水轴流泵内部流动与转子动力学特性研究 镇江：江苏大学，2020 14 冯少宇瓜洲泵站结构有限元数值模拟研究 扬州：扬州大学，2021（本文编辑陈丽霞）（收稿日期2022 05 13）32