基于流固耦合的大型潛水軸流泵結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究.pdf

1、大型潛水軸流泵具有振動(dòng)小、噪音低、安裝檢修方便、快捷以及簡化泵站結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。作為替代傳統(tǒng)長軸泵的新一代產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用于城市排水、農(nóng)田灌溉、調(diào)水工程等各領(lǐng)域。隨著潛水軸流泵不斷向大型化發(fā)展，近年來為了減小電機(jī)直徑，優(yōu)化井筒內(nèi)部流態(tài)，帶行星齒輪減速裝置的大型潛水軸流泵得到了研發(fā)。然而，許多問題也在潛水電泵不斷大型化的過程中隨之而來:一方面，系統(tǒng)質(zhì)量與其固有頻率負(fù)相關(guān)，潛水軸流泵的大型化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大，進(jìn)而使系統(tǒng)固有頻率降低，使外部激勵(lì)頻

2、率更易于與系統(tǒng)固有頻率接近，從而導(dǎo)致系統(tǒng)因劇烈振動(dòng)而發(fā)生失效;另一方面，潛水軸流泵內(nèi)部流動(dòng)是非定常的，非定常流動(dòng)會(huì)引發(fā)流體的壓力脈動(dòng)，而壓力脈動(dòng)所誘導(dǎo)的水力激振力正是使結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及長時(shí)間處在交變載荷作用下而發(fā)生疲勞失效的主要原因。振動(dòng)不僅造成機(jī)組機(jī)構(gòu)破壞，減少使用壽命，而且大大降低了機(jī)組的運(yùn)行效率，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。由此對(duì)大型潛水軸流泵進(jìn)行基于流固耦合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究，從而為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考是十分必要的。
　　

3、本文在江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金項(xiàng)目(BA2011126)、國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAF14B01)等資助下，以江蘇亞太泵閥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的1600QZ55-1100型潛水軸流泵為模型進(jìn)行了相關(guān)的研究，研究的主要內(nèi)容及取得的成果如下:
　　采用三維造型軟件UG建立結(jié)構(gòu)域（葉輪、倒流冒、導(dǎo)葉、泵軸及鍵）以及流體域（進(jìn)口段、葉輪段、導(dǎo)葉段及出口段）三維模型;通過專業(yè)的網(wǎng)格劃分工具ICEM CFD，對(duì)流體域進(jìn)行高質(zhì)量的六面

4、體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，而對(duì)已結(jié)構(gòu)域，采用WORKBENCH自帶的網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行自適應(yīng)四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分;選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)流體域網(wǎng)格模型進(jìn)行定常的多工況數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)作對(duì)比，然后在此模型下進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證。對(duì)潛水軸流泵井筒內(nèi)部壓力分布進(jìn)行了簡要的分析，并發(fā)現(xiàn)葉片所承受的軸向力與揚(yáng)程呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。
　　基于單向流固耦合技術(shù)對(duì)潛水軸流泵內(nèi)流場和其轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行了單向流固耦合計(jì)算，對(duì)結(jié)構(gòu)域關(guān)鍵部件進(jìn)行變形分析及強(qiáng)度分析。計(jì)

5、算結(jié)果顯示最大變形出現(xiàn)在葉輪進(jìn)口輪緣處，其中以圓周方向的變形為主，軸向變形次之，徑向變形最小，葉輪不會(huì)由于變形過大而與井筒產(chǎn)生干涉的事故;整個(gè)轉(zhuǎn)子部件中第一主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在鍵與泵軸接觸處，而葉輪靠近進(jìn)口輪轂處出現(xiàn)明顯高應(yīng)力區(qū)，工作面受到的應(yīng)力明顯高于背面;利用第一強(qiáng)度理論對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行小流量工況下的強(qiáng)度校核，整個(gè)轉(zhuǎn)子部件不會(huì)發(fā)生由于強(qiáng)度不足而失效的事故。
　　對(duì)潛水軸流泵整個(gè)轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行了詳細(xì)的模態(tài)分析，采用WORKBEN

6、CH計(jì)算轉(zhuǎn)子部件在真空中的模態(tài)分布;基于CFX與WORKBENCH的單向耦合技術(shù)，分析轉(zhuǎn)子部件在承受流場反作用力、重力及離心力等預(yù)應(yīng)力載荷情況下在真空中的模態(tài)分布;通過將APDL命令流與WORKBENCH耦合的方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)在承受預(yù)應(yīng)力情況下在水中的模態(tài)分布（即濕模態(tài)）。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在各種預(yù)應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的應(yīng)力剛化現(xiàn)象，即結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向的剛度都略有增加，而剛度與固有頻率呈正相關(guān)關(guān)系，從而結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向的固有頻率得到相應(yīng)增大

7、;而水介質(zhì)的阻尼起到了明顯降低結(jié)構(gòu)固有頻率以及振幅的作用。
　　基于雙向流固耦合技術(shù)，對(duì)潛水軸流泵包括導(dǎo)葉及葉輪在內(nèi)的過流部件進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，對(duì)外特性結(jié)果進(jìn)行時(shí)均化處理，對(duì)比耦合前后的潛水軸流泵內(nèi)外特性結(jié)果。研究結(jié)果表明，耦合后潛水軸流泵揚(yáng)程及效率相比于耦合前都呈現(xiàn)小幅度的減小趨勢(shì)，一般在1％左右。流固耦合作用能夠影響流場內(nèi)部壓力脈動(dòng)分布，耦合前后葉輪進(jìn)口處各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)變化趨勢(shì)不變，其主頻與葉頻相等，但是耦合后，各參