蒸发循环泵泵轴性能的仿真分析

马荣柯, 刘小振, 李伯巍, 傅 波, 李 宇

(1.四川大学 机械工程学院, 四川 成都 610065; 2.四川省自贡工业泵有限责任公司, 四川 自贡 643000)

引言

强制循环泵(也称卧式轴流泵)是利用叶轮旋转所产生的沿着泵轴方向的水平推力进行工作。主要应用在真空制盐、隔膜法烧碱、熔盐、造纸、废水处理等工业活动中。为了进一步提高设备的生产能力,将强制循环泵换热器的传热系数提高,即为轴流式蒸发循环泵。蒸发循环泵作为强制循环泵系统的重要组成部分,有着流量大、耐高温、扬程低等特点。随着工况条件要求的不断提高,目前蒸发循环泵的设计研发逐渐向大口径,高可靠性等方向发展[1]。

图1为ZWX-1600型蒸发循环泵结构示意图。泵轴是轴流泵传递扭矩的关键零件之一,需要承受叶轮所产生的轴向力和径向力,同时在各种载荷的作用力下,其结构会产生一定量的变形[2]。在泵轴与驱动电机的联接处,其直径为泵轴结构上最小,而且通常会设计键槽,这进一步影响了泵轴的刚度和稳定性。当泵轴发生弯曲变形时,可能会导致叶片与壁面碰撞,引发泵的故障和损坏,甚至可能对生产过程带来重大的安全隐患[3]。因此,针对轴流泵泵轴的变形问题, 必须进行深入的分析和研究,以提高轴流泵的工作效率和安全性。

1.叶轮 2.泵体 3.机械密封 4.主轴 5.轴承箱 6.轴承组件

轴流泵内部流场和叶轮泵轴之间存在着流固耦合(FSI)作用[4]:大型轴流泵在工作时,水泵转轴旋转带动叶轮旋转,流体从吸水管进入高速旋转的叶轮,流经叶片后得到能量并往后输送。流体流经泵轴时,泵轴将受到各种力的联合作用,包括流体压力、离心力、重力、黏性力以及叶轮的反作用力等的作用,叶轮和泵轴的变形以及动力学响应反过来又会影响流场的分布,从而使流体载荷的分布和大小发生改变。因此,为了使最后的计算结果能给轴流泵的优化设计提供更可靠的数据参考,可将泵轴叶轮与流场进行双向流固耦合联合求解。

目前,流固耦合技术已广泛运用在流体机械静力学以及动力学仿真研究中,并取得了一定成果。杨丹丹等[5]以轴流泵为例,采用沉浸边界与流固耦合及大涡模拟相结合的方法,对泵内流场及鱼体通过泵流道的运动过程进行了数值模拟;杨庆俊等[6]针对泵源与机体共同激励下的管路振动,建立了流固耦合的总体动力学方程,发现液压系统在泵源谐波激励下的振动响应表现为宽频域的强迫振动;许正萱等[7]运用单向流固耦合技术,求解试验转速和泵压条件下螺杆泵的漏失量,进一步得到其容积效率;冀宏等[8]运用流固耦合技术分析了液压电机泵在工作时全域温度场分布特征;晁文雄等[9]基于流固耦合的算法理论,研究了不同工况下预应力对轴流泵叶轮模态的影响。

本研究采用流固耦合技术与CFD模块相结合,基于ANSYS计算了ZWX-1600型蒸发循环泵在不同工况下泵轴的受力情况,通过数据分析,得到泵轴转速与所受的扭矩、径向力、轴向力之间的关系曲线,并使用nCode软件进行了寿命预测,为泵轴的设计提供参考。

1 物理模型与数学模型

1.1 基本参数

ZWX系列轴流式蒸发循环泵一般应用在大流量、低扬程场合[10]。ZWX-1600型蒸发循环泵基本参数及工况条件如表1所示。基于SolidWorks三维建模软件对叶轮及流体域部分进行三维建模,其主要计算域如图2所示。

表1 基本参数及工况条件

图2 计算域模型

1.2 网格模型

三维模型的网格划分对仿真结果有决定性影响[11],网格质量会直接作用于仿真计算的敛散性与精确性。基于SolidWorks软件对叶轮及泵轴部分进行三维建模,并将建立的模型导入ANSYS Mesh模块中进行网格划分。采用六面体网格,对叶轮、泵轴、进水管和出水管分别进行离散。为了模拟流体介质在进出叶轮流域时的真实情况,对叶轮前端的流域及其管道进行了加长处理,使流体介质能均匀地流入叶轮流域。流体介质通过叶轮后,经过90°的圆弧管道流出。叶轮在工作时,其叶片的正面受力面和背面的厚度较薄,网格划分具有一定难度。因此在对其网格划分时,先对叶片部分进行加密处理,从而保证网格质量满足要求。确定网格数量时,在保证结果精度的情况下,还需要考虑计算机性能,因此需要进行网格无关性验证。本研究选取了5组网格,在设计工况下,进行仿真求解各组的扬程,得到的结果如图3a所示。从图中可以看出,随着网格数量的增加,扬程变化幅度较小,趋向于定值。从508万到889万网格,结果数据相差约3.4%;从889万到1253万网格,结果数据相差约1.6%;故可认为该仿真结果已经收敛,网格无关性验证完毕。综合考虑计算机性能与仿真精度要求,最终确定泵轴网格和计算区域网格共889万个,如图3a、图3b所示。其中泵轴部分188万个,流体域部分701万个。

图3 网格模型

1.3 数学模型

轴流泵工作时,叶片表面所受到的力将直接作用到泵轴的键槽上,而叶轮作为整个泵装置的一部分,其受力状态与进出水流道以及其他部分流动状态息息相关。因此要准确求解泵轴在工作时的受力状态,必须对泵装置进行流体仿真。在计算模型中,整个轴流泵装置内的流域被划分为叶轮附近的旋转流域和除此之外的流域。选用参考系来模拟其内部流动,对于非定常不可压缩流体,在以恒定角速度绕X轴旋转的相对直角坐标系下,连续性方程为:

(1)

动量方程:

(2)

选用以雷诺平均方程为基础的RNGk-ε湍流模型:

(3)

(4)

式中,Gk—— 由层流速度梯度而产生的湍流动能

Gb—— 由浮力产生的湍流动能

C1ε,C2ε,C3ε,μt—— 常系数

σk,σε——k方程和ε方程的湍流Prandtl数,其取值分别为C1ε= 1.44,C2ε=1.92,C3ε=1.52,Cμ=0.09,σk=1.0,σε= 1.3

μt—— 紊流黏性系数

上述各方程构成了封闭的非线性偏微分方程组,将上述方程组变换至贴体坐标系中,通过ANSYS软件中CFD分析与SIMPLEC算法结合计算,即可求出目标收敛解[12]。

2 数值模拟

2.1 边界条件

在CFD模块中,载荷主要由外部作用力和边界条件构成。在实际仿真过程中,载荷可以直接施加在实体模型上或者有限单元模型上。本研究根据实际情况出发,将载荷施加在泵轴有限单元模型上。边界条件的设置会直接影响求解的准确性[13],主要边界条件如表2所示,表中步长时间根据正常工况下叶轮转过1°所需要的时间确定,经过计算设置为0.010185 s。由于叶轮和泵轴都处于转动状态,因此需要运用MRF技术来模拟叶轮和泵轴的转动,对转动域开启MRF功能,设置转轴为X轴。添加新材料盐液,密度1450 kg/m3,黏度2 MPa·s,将泵轴转速和入口处流速设置为变量。为保证仿真方案的可行性和正确性,在进行仿真之前,还需要对该模型进行残差曲线计算。一般情况下,对于RNGk-ε湍流模型,残差曲线默认设置为10-3。当收敛后的残差值达到设定值,即可认为计算结果收敛。本研究计算完的残差曲线如图4所示,当迭代100次左右残差曲线开始逐渐平缓,最终计算结果达到了预先设置的数量级,故计算收敛。

表2 边界条件设置

图4 残差曲线

2.2 流固耦合分析

在流体力学研究中,流体与固体之间总存在着相互作用。在研究流场对变形固体的作用的同时,考虑固体形变后对流场的影响,两门力学交叉,便有了流固耦合力学这一门力学分支[14]。流体与固体之间的相互作用是流固耦合力学的重要特征。在流体域中,固体受流体载荷的影响,表面会发生微小形变和位移,这些形变和位移又会反馈给流场,从而改变流体的运动轨迹和载荷大小。因此,在流体力学研究中,需要考虑到流场和固体场之间的相互作用,及动态变化。采用流固耦合技术,可以有效地分析复杂的流体域问题,并为工程实践提供有力支持。此外,流固耦合力学还具有广泛的应用前景,在航空、汽车、轮机以及建筑结构等领域都有大量应用。

利用ANSYS软件中CFD模块和Workbench功能互相耦合的方法,对流体域和结构域进行了有限元分析。在计算过程中,设置相同的计算时间和时间步长,首先计算流体域,并将计算后得到的结果(主要为压强)传递给固体域进行分析计算。固体域计算后得到的结果(包括变形、速度、位移和加速度等)再反馈给流体域进行分析。这样不断进行反复计算和迭代,直到整个耦合场的求解结束。

图5是泵轴流固耦合分析的工作流程图,首先计算出Fluent模块里轴流泵内流场的仿真结果,接着将流体域内各个节点的速度、应力等物理量导入Static Structure模块,进行耦合求解,最终得到收敛解,就能求解出泵轴等的应力和应变。最后将泵轴的极限受力情况导入ANSYS nCode模块进行疲劳分析,预测使用寿命。

图5 流固耦合计算流程

3 仿真分析结果

3.1 流场仿真结果

设定不同的流体域入口速度以及不同的转速,以此模拟不同工况。图6是在入口速度为4.42 m/s, 转速为220 r/min情况下的仿真结果。图6a为叶轮反面所受到的应力云图,图6b为叶轮正面所受到的应力云图。可以看出叶片正反两面压差很大,压力分布沿着叶片从进口处到出口处呈逐渐递增趋势,说明叶片对流体作用明显。图6c为流体域中泵轴所受到的应力分布图,由图可知,流体域对泵轴的最大应力发生在泵轴与管壁交接处,流体对泵轴底部有较大冲击压力。图6d为流场流线图。从流线可以看出,仿真结果中流体流动较为规律,且在设计工况下,出口处流体速度大致为4 m/s,与设计出口速度接近,表明该流场模拟仿真结果较为准确。

图6 Fluent仿真结果

3.2 泵轴受力分析结果

泵轴主要受到电机的扭矩、叶轮的重力、空气对叶轮和泵轴的作用力,受到的约束主要为两处轴承支撑,另外双列圆锥滚子轴承能够限制轴双向轴向位移,因此在此轴肩位置处对轴向位移也有约束。此次分析主要关注旋转区域与叶轮和泵轴接触位置的应力情况,通过对叶轮与泵轴接触部位的应力分析,能够将作用于叶轮的应力等效到泵轴轴端处,将作用于泵轴的力直接施加到泵轴上。另外泵轴在转动过程中有恒定的转速,稳态中将恒定的转速简化为惯性力,不会出现转动,但是转速会产生离心力,因此还需要给整个泵轴一个转动速度,速度设置为220 r/min对应流体分析时的速度。载荷及约束如图7所示。

图7 泵轴载荷及约束

通过CFD-POST进行后处理可以得到液体对叶轮的XY两个方向的作用力以及液体对轴的XY两个方向作用力。再通过直接优化模块,将转速设置为变量,范围为0～220 r/min,将对叶轮的力以及对泵轴的力分别设置为目标,通过系统自带的Screening算法自动生成8组样本点。将样本点分别做成相对应的曲线图,得到在流体域入口速度为4.42 m/s和0 m/s条件下,泵轴转速与泵轴受力情况的关系,如图8所示。

图8 泵轴受力情况曲线图

分析图8可知,泵轴的最大受力情况出现在流体域入口处流体流速为0,泵轴转速为220 r/min时。该情况下得到泵轴的受力及变形情况如图9所示。

图9 泵轴受力及变形情况

一般情况下,泵轴最容易被破坏或疲劳失效的位置位于轴颈过渡圆角处,该处用于安装联轴器,需要承受较大的力矩和弯矩,并且该处直径尺寸最小[15]。图9中泵轴最大应力点与最大应变点与实际情况相符,最大等效应力为62.732 MPa,最大变形数值为6.6193 mm。将应力分布导入ANSYS nCode模块进行疲劳分析,寿命预测结果如图10所示,泵轴最危险处受力循环次数大于3×108次,满足实际生产需要。

图10 nCode寿命预测结果

4 结论

本研究采用ANSYS软件中流固耦合技术与CFD模块相结合的方法,对ZWX-1600型轴流泵内部流场进行数值模拟,分析了轴流泵流场内泵轴的受力情况,得到如下结论:

(1) 针对轴流泵主要流体域部分,对其进行了流体仿真分析。在给定的设计工况下,泵轴压力云图和流场线速度分布较为合理,仿真结果与预期性能基本符合,表明仿真结果具有较高的准确性;

(2) 运用CFD模块与流固耦合技术,对各个工况下泵轴受力情况进行模拟,将求解出的多组样本点拟合成曲线,更加直观的反映出泵轴受力与转速等的关系。在极限工况下,泵轴与电机链接键槽处出现应力集中,最大应力不到63 MPa,远小于泵轴材料许用应力[16]。泵轴最大变形出现在轴端处,与泵轴整体5 m左右长度相比,变形幅度6.6 mm处在合理范围内。仿真结果说明泵轴结构设计合理,强度可靠;

(3) 将泵轴极限工况下的受力情况导入nCode模块进行疲劳仿真,结果表明,泵轴最危险处受力循环次数大于3×108次,满足工厂的实际生产活动中,对泵轴的寿命需求,为轴流泵的设计和制造提供了有价值的参考。