广一水泵厂丨广一离心泵转子系统计算结果分析

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一、不同载荷对转子系统影响权重分析
船用二级离心泵稳定运行过程中受到多种载荷的作用，影响船用二级离心泵转子系统的载荷主要有离心力载荷和水压力载荷，为探究这两种载荷哪种对转子系统的影响权重较大，广一水泵厂设计了三种载荷施加方案。
1、只施加额定转速条件下离心力载荷；
2、只施加设计工况条件下水压力载荷；
3、同时施加上述两种载荷。
三种载荷施加方案的船用二级离心泵转子系统应力分析如图1所示。
在图1与图2中，只考虑离心力载荷条件下船用二级离心泵转子系统应力、总变形显示比例为l:1.0E 4；只考虑水压力载荷和同时考虑离心力、水压力载荷船用二级离心泵转子系统应力、总变形显示比例为l:6.3E 2，这两种载荷条件下的变形主要是周向扭转变形。
分析图1可以发现，只考虑离心力载荷的船用二级离心泵转子系统应力呈中心对称均匀分布状态，大应力为13.9MPa；只考虑水压力载荷的转子系统应力分布不均匀，主要是因为离心泵叶轮内流场复杂，水力激振力分布不均匀进而造成叶片应力分布不规则，大应力达到37.15MPa；同时考虑离心力与水压力载荷条件下转子系统应力分布与只考虑水压力载荷条件类似，大应力略有提高达到38.06MPa。
分析图2可以发现，只考虑离心力载荷的广一离心泵转子系统总变形分布中心对称，大变形出现在首级叶轮叶片工作面靠叶轮出口处，大总变形为0.0017mm；只考虑水压力载荷的转子系统总变形随半径的增大而增大，大变形出现在末级叶轮叶片工作面靠叶轮出口处，大总变形大幅提高达0.037mm；同时考虑离心力与水压力载荷条件下转子系统大总变形分布与大总变形数值均与只考虑水压力载荷条件类似。
综上分析，可以得到以下结论：船用二级离心泵稳定运行过程中水压力载荷对离心泵转子系统影响比离心力载荷影响大，起主导作用。
二、不同工况下首末级叶轮叶片应力、变形分析
船用二级离心泵转子系统在稳定运行状态下，首末级叶轮叶片的应力与变形有何异同，不同工况条件下转子系统应力与变形变化规律如何，本节主要针对上述两个问题展开分析。
受变化复杂的水压力载荷作用，首末级叶轮叶片的应力分布都不均匀，总体呈现出自前后盖板向中间应力逐渐减小、自叶轮进口向叶轮出口应力逐渐增大的趋势；在叶轮出口叶片与前后盖板交界的区域出现明显应力集中现象；首级叶轮叶片大应力为9.40M/k，末级叶轮叶片应力较之首级叶轮叶片总体大幅提高，大应力达22.08MPa。
无论是首级叶轮叶片还是末级叶轮叶片，变形均遵循自叶片背面进口与后盖板交界处向叶片工作面出口与叶轮后盖板交界处逐渐增大的变化规律；小变形发生区域与叶轮容易发生汽蚀区域一致，这是因为该区域的水力载荷小；大变形发生在叶片出口区域，这是由于叶片变形主要体现为周向扭转变形，叶片出口出水力载荷大同时旋转半径大，因此总变形量大；首级叶轮叶片大变形为0.0032mm，末级叶轮叶片大变形为0.0367mm。
综上分析，在同一工况条件下，末级叶轮叶片应力与变形均大于首级叶轮叶片，末级叶轮叶片更容易发生破坏现象，破坏可能发生于叶片出口与前后盖板交界处。因此，在设计广一化工泵叶轮时，末级叶轮应采用强度和刚度更好的材料，在叶片出口特别是与前后盖板交界区域应注意避免应力集中现象的出现，比如加大过渡区圆角半径或进行叶片削尖处理。
为研究不同工况条件下首末级叶轮叶片应力与变形变化规律，除设计工况条件外，本文分别讨论了0.5Qd、0.8Qd、1.2Qd、1.4Qd四种非设计工况条件下的首末级叶轮应力与变形情况。
末级叶轮叶片等效应力大于首级叶轮叶片，首末级叶轮叶片大等效应力都呈现出随流量增加先减小后增加的变化趋势。叶片大等效应力在设计工况偏大流量条件下取得小值，说明叶轮在此工况条件下运行稳定，流体载荷分布均匀，符合实际应用需求；叶片在小流量工况条件下等效应力较大是因为小流量工况条件下，叶轮内流场流动复杂，流体压力载荷不均匀，该工况条件下更容易发生应力集中破坏现象；随着流量超过设计工况继续增大，大等效应力呈增大态势，说明流量进一步加大叶轮会再次进入不稳定运行状态。
末级叶轮叶片总变形远远大于首级叶轮叶片，首末级叶轮叶片总变形随流量增加先增大后减小；这与广一离心泵轴功率随流量变化规律一致船用二级离心泵外特征参数一览)。小流量区域，随流量增加叶片工作面与背面压力差不断增大，叶片受力不断增大因此总变形不断增大；叶片在设计工况区域运行稳定，总变形亦趋于稳定；流量进一步增大，叶片工作面背面压差逐渐减小，叶片变形也随之减小。
三、小结
本文考虑了不同载荷对转子系统的影响，得到水力载荷是影响转子系统动力特性主要原因的结论。基于单向流固稱合理论，应用Workbenchl4.5流固稱合分析模块(FSI:FluidFlow(CFX)-StaticStructural)建立分析框架，以内流场定常数值模拟分析结果为基础，将不同工况下的水压力载荷加载到转子系统上，对转子系统进行动力特性分析。分析了转子系统的应力应变分布特点；比较了首末级叶轮叶片应力应变分布规律的异同；给出了叶轮改良设计意见；此外，还分析了流量对转子系统动力特性的影响。
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