2 0 1 3 年5月农业机械学报第44 卷第5期doi:10. 6041 / j. issn. 1000鄄1298. 2013. 05. 014 基于流固耦合的多级潜水泵叶轮结构强度分析* 施卫东摇 徐摇 燕摇 张启华摇 陆伟刚摇 周摇 岭 (江苏大学流体机械工程技术研究中心, 镇江 212013) 摘要: 利用 ANSYS 的Workbench 平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力应变进行了数值研究. 分别计算出叶 轮受流体压力及离心力载荷作用所产生的最大等效应力及变形量,进一步获得 2 种载荷共同作用时的效果. 在此 基础上,研究了叶轮最大等效应力及变形量随流量的变化特征,并对叶轮进行结构强度校核. 结果表明,叶轮最大 等效应力及变形量主要受流体压力作用影响,而受离心力的影响较小. 当流量逐渐增加,叶轮最大等效应力先增 大后减小,叶轮变形量则逐渐减小. 强度校核结果表明,叶轮符合强度要求. 关键词: 多级潜水泵摇 叶轮摇 结构强度摇 流固耦合 中图分类号: TH311 文献标识码: A 文章编号: 1000鄄1298(2013)05鄄0070鄄04 Structural Strength Analysis of Multistage Submersible Pump Impeller Based on Fluid鄄structure Interaction Shi Weidong摇Xu Yan摇Zhang Qihua摇Lu Weigang摇Zhou Ling (Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China) Abstract: To accurately figure out the stress and the deformation of the impeller, the one鄄way fluid鄄structure interaction was performed, utilizing the ANSYS Workbench. The pressure of the fluid flow and the centrifugal force imposed on the impeller respectively were used to evaluate the maximum equivalent stress and deformation of the impeller. Then the effect of two loads jointly imposed on the impeller was obtained. Based on these procedures, the stress and deformation behavior under different flow rates were numerically investigated. And the structural strength of the impeller was also checked. The results showed that the maximum equivalent stress and the deformation were primarily determined by the fluid flow pressure, and were less affected by the centrifugal force. With increasing flow rate, the maximum equivalent stress increased gradually and then decreased, while the deformation gradually decreased. The strength check result showed that the impeller could meet the strength requirement. Key words: Multistage submersible pump摇Impeller摇Structural strength摇Fluid鄄structure interaction 收稿日期: 2012 05 11摇 修回日期: 2012 06 29 *国家自然科学基金资助项目(51079063)、江苏省自然科学基金资助项目(BK2011503)和国家博士后科学基金资助项目(2011M500117) 作者简介: 施卫东,研究员,博士生导师,主要从事流体机械及工程研究,E鄄mail: wdshi@ ujs. edu. cn 摇摇引言 多级潜水泵的叶轮采用多级串联方式工作,一 旦设计强度不够或者超负荷运转,非常容易遭到破 坏. 叶轮的结构强度关系到整个机组的可靠性及安 全稳定运行,因此,对多级潜水泵叶轮进行强度分析 显得尤为重要. 由于高速旋转,多级潜水泵叶轮内部为复杂的 三维湍流流动,运行中叶轮受到较大的流体压力,因 而会产生一定量的结构变形. 对于流场引起的结构 变形问题,若采用流场与结构单独求解的方法,将导 致计算结果偏离实际情况,而流固耦合方法能准确 反映流体 结构变形的相互作用,近年来获得越来越 多的应用. 目前,在旋转机械流固耦合研究方面,已 有很多研究成果报道[1 ~ 4] . 但是,目前为止还尚未 发现对多级潜水泵进行流固耦合的研究. 因此,本 文利用 ANSYS 的Workbench 平台,对多级潜水泵叶 轮进行单向流固耦合求解,分别计算出多级潜水泵 叶轮在流体压力、离心力及两者共同作用时的应力 和变形量分布. 分析流量变化对叶轮应力及变形量 的影响,并对叶轮强度进行校核,为多级潜水泵叶轮 的结构强度设计提供依据. 1摇 流固耦合计算方法 流固耦合力学是流体力学和固体力学交叉产生 的一门力学分支[5] ,主要涉及固体在流场作用下的 各种行为以及固体变形对流场的影响. 按处理方法 的不同,可以把流固耦合分析方法分为:非耦合方 法、弱耦合方法和强耦合方法[6] . 在多级潜水泵 中,叶轮大多采用不锈钢或工程塑料制造,叶轮结构 在流场作用下的变形量一般较小. 考虑到多级潜水 泵过流部件边界非常复杂,开展强耦合研究比较困 难,而采用弱耦合方法中的单向耦合较为可行. 因此,本文只研究流场对叶轮结构的作用,而忽略结构 变形对流场的影响. 2摇 数值模拟 2郾 1摇 计算模型 以150QJ20 型多级潜水泵叶轮为研究对象,对 其进行数值计算及试验. 设计参数为:流量 Q = 20 m3 / h、单级扬程 H = 11 m、转速 n = 2 850 r/ min. 叶轮叶片数为 7,采用扭曲叶片. 其叶轮结构示意 图和计算模型分别如图 1、图2所示. 图 1摇 叶轮结构 Fig. 1摇Impeller structure 摇图2摇 计算模型 Fig. 2摇Calculating model 1. 进口段摇 2、4. 叶轮水体摇 3、5. 导叶水体摇 6. 出口段 摇 根据有关文献的介绍,本文所进行的流场计算 区域只要取多级潜水泵的两级三维全流场(包括进 口段、第1级叶轮水体、第1级导叶水体、第2级叶 轮水体、第2级导叶水体、出口段) 即可,结构区域 只考虑叶轮. 运用 Gambit 软件对流场划分四面体 非结构网格,共划分 1 635 041 个单元. 结构域使用 ANSYS Workbench 软件中的网格划分功能,对叶轮 划分自由网格,共划分 91 386 个单元. 2郾 2摇 流场边界条件及控制方程 流场计算在 Fluent 中进行,将进口段向前延伸 1 倍叶轮外径,设置进口端面处来流速度均匀. 将 出口段向后延伸至 2 倍叶轮外径处,出口端面流动 满足充分发展状态,边界条件设置为出流(Outflow) 形式. 采用标准 k 着 湍流模型,SIMPLEC 算法,设 进口面中心处为压力参考点,其相对压力为零,设置 收敛精度为 1 伊10 - 5 . 设置无滑移固壁面边界条 件,即壁面上各向速度均为零. 对近壁面的湍流流 动按标准壁面函数处理. 多级潜水泵内部流场的数值计算控制方程包括 流体域的连续性方程、动量方程及 k 着 模型中的 k 方程和 着 方程[7 ~ 9] . 2郾 3摇 结构方程及固体模型设置 利用 Hamilton 原理建立结构整体的运动方程. 考虑流体对叶轮的作用,在液体中离散后弹性体的 结构动力学方程[10] 为Mu··+Cu·+Ku = F (1) 式中摇 M— — —质量矩阵摇 摇C— — —阻尼矩阵 K— — —刚度矩阵 u、u · 、u · · — — —节点的位移矢量、速度矢量、加速 度矢量 F— — —节点所受的力,包括自身重力、离心力 和流场的压力 叶轮实体模型选用工程中广泛采用的工程塑料 PPO,其密度 籽=1100 kg / m3 ,弹性模量 E = 2郾5GPa, 泊松比 滋=0郾 46,极限应力为 56 MPa. 进行流固耦 合计算时,在方孔面上施加位移约束 Ux = Uy = Uz = 0. 叶轮所受载荷主要为离心力和表面压力,离心力 通过设置叶轮密度、重力加速度及旋转速度施加,表 面压力主要为作用在叶轮表面的流体压力载荷. 将 叶轮与 流体接触的表面属性设置为Fluid Solid Interface,以引入流场的压力载荷信息. 3摇 结果分析 3郾 1摇 多级潜水泵外特性参数对比 为验证数值模拟的准确性,对该型号的多级潜 水泵进行了外特性试验. 图3所示为由试验得到的 泵效率 浊 及单级扬程 H 与数值模拟结果对比图,其中Q/ Qopt 表示实际流量与设计流量的比值. 从图中 1 7 第5期摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇施卫东 等: 基于流固耦合的多级潜水泵叶轮结构强度分析 可以看出,模拟预测的泵效率随着流量的增大先增 大后减小,在设计工况达到最大值;扬程则随着流量的 增大而逐渐减小,预测的性能曲线趋势与试验结果基 本一致. 另外,在设计工况附近误差较小,偏离设计工 况时误差较大,基本验证了数值模拟方法是准确的. 图 3摇 数值模拟结果与试验结果对比 Fig. 3摇Comparison between numerical and testing results 摇 3郾 2摇 不同流量工况下叶轮内压力分布 通过对多级潜水泵三维全流场的数值计算,得 到不同工况下潜水泵流场的静压分布,如图 4 所示. 可以看出,叶轮流道内静压随着流动方向从进口到 出口逐渐增加,压力梯度比较明显. 同一半径处,叶 轮叶片工作面的静压大于叶片背面,且在叶片背面 进口处最小,因此该处也最容易发生汽蚀. 不同工 况下,各点处的静压随着流量的增加而逐渐减小. 3郾 3摇 不同载荷作用下叶轮应力及变形量分析 多级潜水泵叶轮在工作过程中处于高速旋转状 态,主要受到旋转离心力及流体压力. 为了比较不 同载荷对多级潜水泵叶轮的影响,分别计算了旋转 离心力、流体压力以及两者共同作用时潜水泵叶轮 的应力与变形大小及分布. 图 4摇 不同流量时叶轮静压分布 Fig. 4摇Impeller static pressure distribution at different flow rates (a) Q/ Qopt = 0郾 8摇 (b) Q/ Qopt = 1郾 0摇 (c) Q/ Qopt = 1郾2摇摇摇从图 5、图6中可以看出,不同载荷作用下叶轮 的应力及变形量在数值上有明显不同. 离心力载荷 作用下应力及变形量明显小于流体压力载荷及两者 共同作用时的应力和变形量,而流场载荷对应的应 力和变形量略大于载荷共同作用下的应力和变形 量. 这主要是由于作用在叶轮上的惯性离心力沿径 向向外,离心力在叶片上形成的力矩沿圆周方向,与 叶轮旋转方向相同,而作用在叶片工作面上的流体 压力明显大于背面的压力(压力方向均沿表面法向 指向表面),流体压力可分为沿径向向内的分量和 沿圆周方向的分量,而圆周分量产生的力矩与叶轮 旋转方向相反. 图 5摇 叶轮应力分布 Fig. 5摇Equivalent stress distribution of impeller (a) 惯性离心力载荷摇 (b )流场压力载荷摇 (c) 两种载荷共同作用 摇摇摇因此,流体压力载荷作用时在离心力加载后叶 轮的应力和变形量有所减小. 当只考虑离心力作用时,叶轮的最大变形发生 在叶轮叶片出口处,而流体压力载荷及两者共同作 用时叶轮的最大变形发生在叶轮后盖板处. 3郾 4摇 流量对叶轮应力及变形量的影响 为研究流量对多级潜水泵叶轮最大等效应力及 总变 形量的影响, 本文分别计算了小流量工况(0郾6Qopt 、0郾8Qopt )、 设计工况Qopt 及大流量工况(1郾2Qopt 、1郾4Qopt )下叶轮的结构变形特征. 图7所示为不同流量下叶轮的最大等效应力及总变形量曲 线. 可以看出,叶轮的最大等效应力随着流量的增 加先增加后减小,在 0郾 8Qopt 工况下达到最大值;叶 轮的总变形量随着流量的增大而逐渐减小. 3郾 5摇 强度校核 为检验叶轮的结构强度,对叶轮的许用应力进 2 7 农摇 业摇 机摇 械摇 学摇 报摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2013年图6摇 叶轮总变形量分布 Fig. 6摇Total deformation distribution of impeller (a) 惯性离心力载荷摇 (b) 流场压力载荷摇 (c) 两种载荷共同作用 摇图7摇 不同流量下叶轮最大等效应力及总变形量 Fig. 7摇Maximum equivalent stress and total deformation of impeller at different flow rates 摇 行计算,叶轮工作过程中应保证所产生的应力低于 该许用应力才能够使其安全运行,否则叶轮将在使 用时发生破坏. 根据所选用的 PPO 材料属性,取安全系数为 4, 材料极限应力为 56 MPa. 安全系数 nb 、 极限应力 滓b 和许用应力[滓]的关系为 nb = 滓b / [滓] 在 0郾 6Qopt ~ 1郾4Qopt 工况范围内,计算得出的叶 摇摇轮的安全系数分别为:6郾56、6郾20、6郾29、6郾80、8郾20. 由此可见所计算的多级潜水泵叶轮在各工况下运行 时均满足强度要求. 4摇 结论 (1) 多级潜水泵叶轮的应力和变形量主要受流 体压力作用的影响,而受离心力作用影响较小. (2) 不同载荷作用下,多级潜水泵叶轮的最大 等效应力均发生在叶片进口与轮毂相交的区域;而 叶轮的最大变形位置有所不同,当只考虑惯性离心 力作用时,叶轮的最大变形发生在叶轮叶片出口处; 而考虑流体压力载荷及两者共同作用时,叶轮的最 大变形发生在叶轮后盖板处. (3) 多级潜水泵叶轮的最大等效应力随着流量 的增加先增加后减小,在 0郾 8 倍设计工况下达到最 大值;叶轮的总变形量随着流量的增大而逐渐减小. 各工况下,叶轮的最大应力均小于其许用应力,证明 了叶轮运行的安全性. 参考文献1摇 袁寿其,徐宇平,张金凤,等. 流固耦合作用对螺旋离心泵流场影响的数值分析[J]. 农业机械学报,2013,44(1):38 ~42,47. Yuan Shouqi, Xu Yuping, Zhang Jinfeng, et al. Numerical analysis for effect of fluid鄄structure interaction on flow field in screw centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(1):38 ~ 42,47. (in Chinese) 2摇 王洋,王洪玉,徐小敏,等. 冲压焊接离心泵叶轮有限元计算[J]. 排灌机械工程学报,2011,29(3):109 ~ 113. Wang Yang,Wang Hongyu,Xu Xiaomin,et al. Finite element computation for impeller of stamping and welding centrifugal pump [J]. Drainage and Irrigation Machinery,2011,29(3):109 ~ 113. (in Chinese) 3摇 江伟,郭涛,李国君,等. 离心泵流场流固耦合数值模拟[J]. 农业机械学报,2012,43(9):53 ~ 56. Jiang Wei, Guo Tao, Li Guojun, et al. 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2 0 1 3 年5月农业机械学报第44 卷第5期doi:10. 6041 / j. issn. 1000鄄1298. 2013. 05. 014 基于流固耦合的多级潜水泵叶轮结构强度分析* 施卫东摇 徐摇 燕摇 张启华摇 陆伟刚摇 周摇 岭 (江苏大学流体机械工程技术研究中心, 镇江 212013) 摘要: 利用 ANSYS 的Workbench 平台,通过单向流固耦合模型对叶轮的应力应变进行了数值研究. 分别计算出叶 轮受流体压力及离心力载荷作用所产生的最大等效应力及变形量,进一步获得 2 种载荷共同作用时的效果. 在此 基础上,研究了叶轮最大等效应力及变形量随流量的变化特征,并对叶轮进行结构强度校核. 结果表明,叶轮最大 等效应力及变形量主要受流体压力作用影响,而受离心力的影响较小. 当流量逐渐增加,叶轮最大等效应力先增 大后减小,叶轮变形量则逐渐减小. 强度校核结果表明,叶轮符合强度要求. 关键词: 多级潜水泵摇 叶轮摇 结构强度摇 流固耦合 中图分类号: TH311 文献标识码: A 文章编号: 1000鄄1298(2013)05鄄0070鄄04 Structural Strength Analysis of Multistage Submersible Pump Impeller Based on Fluid鄄structure Interaction Shi Weidong摇Xu Yan摇Zhang Qihua摇Lu Weigang摇Zhou Ling (Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China) Abstract: To accurately figure out the stress and the deformation of the impeller, the one鄄way fluid鄄structure interaction was performed, utilizing the ANSYS Workbench. The pressure of the fluid flow and the centrifugal force imposed on the impeller respectively were used to evaluate the maximum equivalent stress and deformation of the impeller. Then the effect of two loads jointly imposed on the impeller was obtained. Based on these procedures, the stress and deformation behavior under different flow rates were numerically investigated. And the structural strength of the impeller was also checked. The results showed that the maximum equivalent stress and the deformation were primarily determined by the fluid flow pressure, and were less affected by the centrifugal force. With increasing flow rate, the maximum equivalent stress increased gradually and then decreased, while the deformation gradually decreased. The strength check result showed that the impeller could meet the strength requirement. Key words: Multistage submersible pump摇Impeller摇Structural strength摇Fluid鄄structure interaction 收稿日期: 2012 05 11摇 修回日期: 2012 06 29 *国家自然科学基金资助项目(51079063)、江苏省自然科学基金资助项目(BK2011503)和国家博士后科学基金资助项目(2011M500117) 作者简介: 施卫东,研究员,博士生导师,主要从事流体机械及工程研究,E鄄mail: wdshi@ ujs. edu. cn 摇摇引言 多级潜水泵的叶轮采用多级串联方式工作,一 旦设计强度不够或者超负荷运转,非常容易遭到破 坏. 叶轮的结构强度关系到整个机组的可靠性及安 全稳定运行,因此,对多级潜水泵叶轮进行强度分析 显得尤为重要. 由于高速旋转,多级潜水泵叶轮内部为复杂的 三维湍流流动,运行中叶轮受到较大的流体压力,因 而会产生一定量的结构变形. 对于流场引起的结构 变形问题,若采用流场与结构单独求解的方法,将导 致计算结果偏离实际情况,而流固耦合方法能准确 反映流体 结构变形的相互作用,近年来获得越来越 多的应用. 目前,在旋转机械流固耦合研究方面,已 有很多研究成果报道[1 ~ 4] . 但是,目前为止还尚未 发现对多级潜水泵进行流固耦合的研究. 因此,本 文利用 ANSYS 的Workbench 平台,对多级潜水泵叶 轮进行单向流固耦合求解,分别计算出多级潜水泵 叶轮在流体压力、离心力及两者共同作用时的应力 和变形量分布. 分析流量变化对叶轮应力及变形量 的影响,并对叶轮强度进行校核,为多级潜水泵叶轮 的结构强度设计提供依据. 1摇 流固耦合计算方法 流固耦合力学是流体力学和固体力学交叉产生 的一门力学分支[5] ,主要涉及固体在流场作用下的 各种行为以及固体变形对流场的影响. 按处理方法 的不同,可以把流固耦合分析方法分为:非耦合方 法、弱耦合方法和强耦合方法[6] . 在多级潜水泵 中,叶轮大多采用不锈钢或工程塑料制造,叶轮结构 在流场作用下的变形量一般较小. 考虑到多级潜水 泵过流部件边界非常复杂,开展强耦合研究比较困 难,而采用弱耦合方法中的单向耦合较为可行. 因此,本文只研究流场对叶轮结构的作用,而忽略结构 变形对流场的影响. 2摇 数值模拟 2郾 1摇 计算模型 以150QJ20 型多级潜水泵叶轮为研究对象,对 其进行数值计算及试验. 设计参数为:流量 Q = 20 m3 / h、单级扬程 H = 11 m、转速 n = 2 850 r/ min. 叶轮叶片数为 7,采用扭曲叶片. 其叶轮结构示意 图和计算模型分别如图 1、图2所示. 图 1摇 叶轮结构 Fig. 1摇Impeller structure 摇图2摇 计算模型 Fig. 2摇Calculating model 1. 进口段摇 2、4. 叶轮水体摇 3、5. 导叶水体摇 6. 出口段 摇 根据有关文献的介绍,本文所进行的流场计算 区域只要取多级潜水泵的两级三维全流场(包括进 口段、第1级叶轮水体、第1级导叶水体、第2级叶 轮水体、第2级导叶水体、出口段) 即可,结构区域 只考虑叶轮. 运用 Gambit 软件对流场划分四面体 非结构网格,共划分 1 635 041 个单元. 结构域使用 ANSYS Workbench 软件中的网格划分功能,对叶轮 划分自由网格,共划分 91 386 个单元. 2郾 2摇 流场边界条件及控制方程 流场计算在 Fluent 中进行,将进口段向前延伸 1 倍叶轮外径,设置进口端面处来流速度均匀. 将 出口段向后延伸至 2 倍叶轮外径处,出口端面流动 满足充分发展状态,边界条件设置为出流(Outflow) 形式. 采用标准 k 着 湍流模型,SIMPLEC 算法,设 进口面中心处为压力参考点,其相对压力为零,设置 收敛精度为 1 伊10 - 5 . 设置无滑移固壁面边界条 件,即壁面上各向速度均为零. 对近壁面的湍流流 动按标准壁面函数处理. 多级潜水泵内部流场的数值计算控制方程包括 流体域的连续性方程、动量方程及 k 着 模型中的 k 方程和 着 方程[7 ~ 9] . 2郾 3摇 结构方程及固体模型设置 利用 Hamilton 原理建立结构整体的运动方程. 考虑流体对叶轮的作用,在液体中离散后弹性体的 结构动力学方程[10] 为Mu··+Cu·+Ku = F (1) 式中摇 M— — —质量矩阵摇 摇C— — —阻尼矩阵 K— — —刚度矩阵 u、u · 、u · · — — —节点的位移矢量、速度矢量、加速 度矢量 F— — —节点所受的力,包括自身重力、离心力 和流场的压力 叶轮实体模型选用工程中广泛采用的工程塑料 PPO,其密度 籽=1100 kg / m3 ,弹性模量 E = 2郾5GPa, 泊松比 滋=0郾 46,极限应力为 56 MPa. 进行流固耦 合计算时,在方孔面上施加位移约束 Ux = Uy = Uz = 0. 叶轮所受载荷主要为离心力和表面压力,离心力 通过设置叶轮密度、重力加速度及旋转速度施加,表 面压力主要为作用在叶轮表面的流体压力载荷. 将 叶轮与 流体接触的表面属性设置为Fluid Solid Interface,以引入流场的压力载荷信息. 3摇 结果分析 3郾 1摇 多级潜水泵外特性参数对比 为验证数值模拟的准确性,对该型号的多级潜 水泵进行了外特性试验. 图3所示为由试验得到的 泵效率 浊 及单级扬程 H 与数值模拟结果对比图,其中Q/ Qopt 表示实际流量与设计流量的比值. 从图中 1 7 第5期摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇施卫东 等: 基于流固耦合的多级潜水泵叶轮结构强度分析 可以看出,模拟预测的泵效率随着流量的增大先增 大后减小,在设计工况达到最大值;扬程则随着流量的 增大而逐渐减小,预测的性能曲线趋势与试验结果基 本一致. 另外,在设计工况附近误差较小,偏离设计工 况时误差较大,基本验证了数值模拟方法是准确的. 图 3摇 数值模拟结果与试验结果对比 Fig. 3摇Comparison between numerical and testing results 摇 3郾 2摇 不同流量工况下叶轮内压力分布 通过对多级潜水泵三维全流场的数值计算,得 到不同工况下潜水泵流场的静压分布,如图 4 所示. 可以看出,叶轮流道内静压随着流动方向从进口到 出口逐渐增加,压力梯度比较明显. 同一半径处,叶 轮叶片工作面的静压大于叶片背面,且在叶片背面 进口处最小,因此该处也最容易发生汽蚀. 不同工 况下,各点处的静压随着流量的增加而逐渐减小. 3郾 3摇 不同载荷作用下叶轮应力及变形量分析 多级潜水泵叶轮在工作过程中处于高速旋转状 态,主要受到旋转离心力及流体压力. 为了比较不 同载荷对多级潜水泵叶轮的影响,分别计算了旋转 离心力、流体压力以及两者共同作用时潜水泵叶轮 的应力与变形大小及分布. 图 4摇 不同流量时叶轮静压分布 Fig. 4摇Impeller static pressure distribution at different flow rates (a) Q/ Qopt = 0郾 8摇 (b) Q/ Qopt = 1郾 0摇 (c) Q/ Qopt = 1郾2摇摇摇从图 5、图6中可以看出,不同载荷作用下叶轮 的应力及变形量在数值上有明显不同. 离心力载荷 作用下应力及变形量明显小于流体压力载荷及两者 共同作用时的应力和变形量,而流场载荷对应的应 力和变形量略大于载荷共同作用下的应力和变形 量. 这主要是由于作用在叶轮上的惯性离心力沿径 向向外,离心力在叶片上形成的力矩沿圆周方向,与 叶轮旋转方向相同,而作用在叶片工作面上的流体 压力明显大于背面的压力(压力方向均沿表面法向 指向表面),流体压力可分为沿径向向内的分量和 沿圆周方向的分量,而圆周分量产生的力矩与叶轮 旋转方向相反. 图 5摇 叶轮应力分布 Fig. 5摇Equivalent stress distribution of impeller (a) 惯性离心力载荷摇 (b )流场压力载荷摇 (c) 两种载荷共同作用 摇摇摇因此,流体压力载荷作用时在离心力加载后叶 轮的应力和变形量有所减小. 当只考虑离心力作用时,叶轮的最大变形发生 在叶轮叶片出口处,而流体压力载荷及两者共同作 用时叶轮的最大变形发生在叶轮后盖板处. 3郾 4摇 流量对叶轮应力及变形量的影响 为研究流量对多级潜水泵叶轮最大等效应力及 总变 形量的影响, 本文分别计算了小流量工况(0郾6Qopt 、0郾8Qopt )、 设计工况Qopt 及大流量工况(1郾2Qopt 、1郾4Qopt )下叶轮的结构变形特征. 图7所示为不同流量下叶轮的最大等效应力及总变形量曲 线. 可以看出,叶轮的最大等效应力随着流量的增 加先增加后减小,在 0郾 8Qopt 工况下达到最大值;叶 轮的总变形量随着流量的增大而逐渐减小. 3郾 5摇 强度校核 为检验叶轮的结构强度,对叶轮的许用应力进 2 7 农摇 业摇 机摇 械摇 学摇 报摇 摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2013年图6摇 叶轮总变形量分布 Fig. 6摇Total deformation distribution of impeller (a) 惯性离心力载荷摇 (b) 流场压力载荷摇 (c) 两种载荷共同作用 摇图7摇 不同流量下叶轮最大等效应力及总变形量 Fig. 7摇Maximum equivalent stress and total deformation of impeller at different flow rates 摇 行计算,叶轮工作过程中应保证所产生的应力低于 该许用应力才能够使其安全运行,否则叶轮将在使 用时发生破坏. 根据所选用的 PPO 材料属性,取安全系数为 4, 材料极限应力为 56 MPa. 安全系数 nb 、 极限应力 滓b 和许用应力[滓]的关系为 nb = 滓b / [滓] 在 0郾 6Qopt ~ 1郾4Qopt 工况范围内,计算得出的叶 摇摇轮的安全系数分别为:6郾56、6郾20、6郾29、6郾80、8郾20. 由此可见所计算的多级潜水泵叶轮在各工况下运行 时均满足强度要求. 4摇 结论 (1) 多级潜水泵叶轮的应力和变形量主要受流 体压力作用的影响,而受离心力作用影响较小. (2) 不同载荷作用下,多级潜水泵叶轮的最大 等效应力均发生在叶片进口与轮毂相交的区域;而 叶轮的最大变形位置有所不同,当只考虑惯性离心 力作用时,叶轮的最大变形发生在叶轮叶片出口处; 而考虑流体压力载荷及两者共同作用时,叶轮的最 大变形发生在叶轮后盖板处. (3) 多级潜水泵叶轮的最大等效应力随着流量 的增加先增加后减小,在 0郾 8 倍设计工况下达到最 大值;叶轮的总变形量随着流量的增大而逐渐减小. 各工况下,叶轮的最大应力均小于其许用应力,证明 了叶轮运行的安全性. 参考文献1摇 袁寿其,徐宇平,张金凤,等. 流固耦合作用对螺旋离心泵流场影响的数值分析[J]. 农业机械学报,2013,44(1):38 ~42,47. Yuan Shouqi, Xu Yuping, Zhang Jinfeng, et al. Numerical analysis for effect of fluid鄄structure interaction on flow field in screw centrifugal pump[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(1):38 ~ 42,47. (in Chinese) 2摇 王洋,王洪玉,徐小敏,等. 冲压焊接离心泵叶轮有限元计算[J]. 排灌机械工程学报,2011,29(3):109 ~ 113. Wang Yang,Wang Hongyu,Xu Xiaomin,et al. Finite element computation for impeller of stamping and welding centrifugal pump [J]. Drainage and Irrigation Machinery,2011,29(3):109 ~ 113. (in Chinese) 3摇 江伟,郭涛,李国君,等. 离心泵流场流固耦合数值模拟[J]. 农业机械学报,2012,43(9):53 ~ 56. Jiang Wei, Guo Tao, Li Guojun, et al. 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