基于數(shù)值模擬的減壓塔底泵內(nèi)部流場及結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性的研究.pdf

1、煉油裝置在石油化工生產(chǎn)中處于重要地位，在煉油裝置中減壓塔底泵是最容易出現(xiàn)故障的關(guān)鍵設(shè)備之一。本課題屬國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《工業(yè)電機(jī)及典型泵閥節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究》中的課題，減壓塔底泵是該課題的主要研究內(nèi)容之一。因此，對減壓塔底泵進(jìn)行內(nèi)部流場數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性研究，以確保產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行，對石化生產(chǎn)具有重要意義。
　　 本文研究的減壓塔底泵采用兩級結(jié)構(gòu)、首級為雙吸雙蝸殼、次級為單吸單蝸殼。減壓塔底泵作為一種旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，

2、內(nèi)部流動較為復(fù)雜。其內(nèi)部非定常流動誘發(fā)的壓力脈動會引起泵過流部件的振動，降低泵運(yùn)行的可靠性；復(fù)雜的內(nèi)部流動與泵部件結(jié)構(gòu)之間存在著相互作用，即水力激勵作用的存在，將使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。本文首次針對減壓塔底泵的內(nèi)部全流場和葉輪、泵體結(jié)構(gòu)場建立了聯(lián)合求解的單向流固耦合計(jì)算，得出流固耦合作用下葉輪、泵體的應(yīng)力應(yīng)變情況。同時，對減壓塔底泵內(nèi)部流場的壓力脈動進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有：
　　 1根據(jù)減壓塔底泵二維結(jié)構(gòu)圖，采用Pro/En

3、gineer軟件對減壓塔底泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，包括首級吸水室、前后泵腔、中間流道、葉輪水體、蝸殼水體、葉輪結(jié)構(gòu)、蝸殼結(jié)構(gòu)、泵體等。
　　 2利用ICEM-CFD軟件實(shí)現(xiàn)對減壓塔底泵全流場流道的網(wǎng)格生成，對減壓塔底泵內(nèi)部全流場進(jìn)行了定常數(shù)值模擬，以此結(jié)果作為非定常流場和流固耦合場計(jì)算的初始條件。通過對減壓塔底泵三維流場的數(shù)值模擬，分析了在不同工況下泵內(nèi)流場流量、靜壓、流速等參數(shù)的非均勻分布。結(jié)果表明：首級結(jié)構(gòu)的對稱性使得其靜壓、速

4、度分布比次級均勻；設(shè)計(jì)工況下，葉輪各流道內(nèi)的流場分布較為均勻，偏離設(shè)計(jì)工況時，葉輪各流道內(nèi)的流場分布不同，0.6Q工況下較明顯，說明塔底泵在小流量工況下運(yùn)行時，更易導(dǎo)致各部件的不均勻受力；將塔底泵數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較，證實(shí)了數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。
　　 3對減壓塔底泵內(nèi)部流場進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，對不同工況下蝸殼內(nèi)各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行幅域分析，基于Origin軟件對壓力脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(FastFourierT

5、ransform)變化以分析其時域和頻域特性，研究塔底泵蝸殼內(nèi)由于動靜干擾等引起的壓力脈動。結(jié)果表明：各工況下壓力脈動頻率均以葉片通過頻率為主；蝸殼內(nèi)存在比較明顯的壓力脈動，且次級蝸殼內(nèi)的壓力脈動比首級要明顯；蝸殼內(nèi)壓力脈動最大值出現(xiàn)在隔舌附近，且沿蝸殼流道螺旋線方向，壓力脈動幅值依次減?。辉O(shè)計(jì)工況下，蝸殼內(nèi)壓力脈動幅值小于非設(shè)計(jì)工況；各工況相比，小流量下壓力脈動幅值最大，這是由于小流量工況時泵內(nèi)更為明顯的湍流不規(guī)則運(yùn)動造成的。

6、　　 4利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX和結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYSWorkbench對減壓塔底泵內(nèi)流場和結(jié)構(gòu)場進(jìn)行單向計(jì)算的流固耦合聯(lián)合求解，實(shí)現(xiàn)對葉輪、泵體的應(yīng)力、應(yīng)變靜力學(xué)分析。驗(yàn)證了葉輪、泵體在強(qiáng)度方面滿足要求；給出了葉輪、泵體最大應(yīng)力集中點(diǎn)的位置；分析了不同工況下葉輪最大靜應(yīng)力隨塔底泵流量的增大而降低，兩者線性關(guān)系較差，因此為提高葉輪可靠性，盡量避免其在小流量下運(yùn)行；且各工況相比，設(shè)計(jì)工況下的葉輪最大總變形出現(xiàn)最小值；說明了流量的改