基于流动模拟的多级离心泵叶轮应力变形分析*

倪羽凤 覃 磊 杜侠明 王 君

(中国石油大学(华东)化学工程学院)

多级离心泵应用领域非常广泛,由于近年来工业的飞速发展,离心泵向着高转速、大容量发展，对叶轮的强度要求越来越高。叶轮的轻微破坏(磨损)将导致叶轮的入口角、出口角变化，影响泵的水利性能；严重破坏(断裂)将直接影响泵的稳定运行，因此对多级离心泵叶轮进行强度分析，对保证泵的稳定运行和指导泵结构设计具有重要意义。文献[1,2]对叶轮内液体流动情况进行数值模拟；文献[3]对叶轮受到离心力作用的情况进行了分析，文献[4,5]对叶轮在受到介质压力和离心力情况下进行了受力变形分析；文献[6，7]对叶轮在受到介质压力，离心力和剪应力的情况下进行了分析；但是以上文献没有对叶轮的全部受力进行耦合分析，载荷分析过于简化，与实际工作状态相差较大。

笔者考虑多级离心泵末级叶轮承受的介质力最大，所以对十级离心泵末级叶轮在空转和实际运行两种工况进行分析。分别考虑叶轮只受离心力和在介质力、离心力、前后盖板摩擦力耦合作用下的受力变形,提出了一种基于FLUENT和ABAQUS的多级离心泵叶轮有限元分析方法，能够准确得到叶轮的应力变形规律。

1 叶轮介质力载荷和有限元模型

1.1叶轮介质力载荷

在FLUENT中，通过对多级离心泵工作过程进行流动模拟，得到叶轮内的介质力分布如图1所示。叶轮前后盖板的压力分布相似，压力由叶轮入口到叶轮出口逐渐变大；叶片的压力分布由入口到出口逐渐增大，且工作面的压力高于非工作面的压力。

图1 叶轮介质力分布

1.2叶轮有限元模型的建立

叶轮主要设计参数为：

材料 ZG1Cr13NiMo

扬程 122m

设计流量 158m3/h

转速 2 980r/min

叶片进口直径 101mm

叶片出口直径 308mm

叶片厚度 5mm

叶片进口角 10°

叶片出口角 26°

叶片包角 130°

在ABAQUS中建立叶轮模型，对叶轮进行网格划分，网格单元为C3D4，设置单元尺寸为2，共将模型离散为单元147 962个，节点238 942个，如图2所示。

图2 叶轮模型

2 离心泵叶轮受力变形分析

2.1叶轮空转情况下的应力变形分布

叶轮空转时重力影响很小，只考虑离心力的作用。在叶轮轮毂内侧表面施加全约束，根据叶轮的转速2 980r/min，绕轴向给整个叶轮施加转速为ω=312.1r/s的载荷。

2.1.1应力分析

空转情况下的应力分布如图3所示，图片显示为放大400倍的效果。最大的应力为周向应力，位于靠近叶轮入口，叶片与前盖板交界处，大小为15.6MPa；径向应力在叶片与前、后盖板交界处较其它地方明显；周向应力分布比较均匀，在叶片与前盖板交界处明显；轴向应力在叶片与后盖板交界处靠近叶轮入口位置较大。

图3 叶轮空转情况下的应力分布

2.1.2变形分析

叶轮空转工况下的变形分布如图4所示，图片显示为放大400倍的效果。叶轮的变形由叶轮入口到出口逐渐变大，到达叶轮外缘时达到最大，最大变形为4.3×10-3mm。叶轮前后盖板的变形明显不同，前盖板变形较后盖板变形明显。

图4 空转情况下的叶轮变形分布

2.2叶轮实际运转工况下应力变形分布

叶轮运转时，受到介质力、离心力和摩擦力的共同作用。对叶轮施加旋转离心力、叶轮内部介质力载荷、摩擦力，对其进行耦合受力变形分析。

摩擦力的计算式为[8]：

式中λ——摩擦系数

γ——介质重度。

得到摩擦力分布图如图5所示，摩擦力的方向与介质流动方向相同，即沿着流道的切线方向由叶轮入口指向叶轮出口。其中，p1=9.83kPa，p2=3.17kPa，p3=1.04kPa。

图5 摩擦力分布

2.2.1应力分析

实际运转工况的应力分布如图6所示，图片显示为放大300倍的效果。轴向应力最大，最大应力点位于叶片与前盖板交界处，大小为24MPa；周向应力最小；径向应力在叶片与前后盖板交界处较明显，其他部位应力分布均匀；轴向应力在叶片靠近前盖板的部位比靠近后盖板的部位明显；前后盖板的应力分布规律不同。

图6 运转工况下的叶轮应力分布

2.2.2变形分析

叶轮运转工况下的变形如图7所示。图片显示为放大400倍的效果。叶轮的总变形由叶轮入口到出口逐渐变大，在叶轮外缘达到最大，最大变形分别位于前盖板靠近叶片非工作面处和后盖板与叶片交界处，大小为16.80μm；轴向最大变形量为16.77μm，与总变形量近似，对总变形的影响最大；径向和周向的最大变形分别为1.20μm和1.70μm，对总变形的影响较小；叶轮前后盖板的变形明显不同，前盖板变形比后盖板变形明显。

图7 运转工况下的叶轮变形分布

3 结论

3.1通过对多级离心泵内部流动情况的数值模拟，得到了多级离心泵内的压力分布，以流场为载荷边界条件，分析了叶轮在运转工况下的应力和变形分布，得到了一种基于流场模拟的多级离心泵叶轮受力变形分析方法。

3.2叶轮运行工况下，叶片与前后盖板连接处的应力值较大，其他部位应力分布均匀，不存在应力集中现象；叶轮轴向应力较大，变形主要由轴向变形引起；离心力对叶轮的应力影响较大。

3.3叶轮空转时，只受离心力的作用，应力在叶片与前后盖板交界处靠近叶轮入口位置明显，存在应力集中现象，此处叶轮结构有待进一步改进；叶轮的变形从叶轮入口到叶轮出口逐渐变大，在叶轮边缘达到最大；前后盖板变形分布明显不同，前盖板的变形较后盖板明显。

[1] 王志坚, 佟亮, 李璐璐, 等.基于CFD的离心泵内部三维流动数值模拟和性能预测[J].流体机械，2012，40(6)：14～18.

[2] Cui B L, Lin Y G, Jin Y Z .Numerical Simulation of Flow in Centrifugal Pump with Complex Impeller[J].Journal of Thermal Science,2011,20(1):47～52.

[3] 贾宁宁，杨昌明，张圣,等．基于 ANSYS Workbench 的离心泵叶轮强度分析[J]．西华大学学报(自然科学版)，2011，30(6)：52～55.

[4] 周玉丰.基于ANSYS的离心泵叶轮结构有限元分析[J].自动化与仪器仪表， 2011，(4)：136 ～137.

[5] 于保敏, 刘宏杰.离心叶轮的有限元分析[J].机械工程师，2007，(7)：60～61.

[6] 董晓岚.基于FLUENT和ABAQUS离心泵叶轮强度和刚度的研究[J].机械设计与制造，2011，(6)：219～220.

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