基于ANSYS Workbench的大型泵-液力透平機組整體底座的靜力學(xué)分析

楊春野，曹軍偉，張祥

（嘉利特荏原泵業(yè)有限公司，浙江溫州 325204）

底座是離心泵機組的重要組成部分，整體底座為機組實現(xiàn)快速、精準(zhǔn)安裝提供了必要條件。隨著裝置和機組規(guī)格的大型化，機組底座的尺寸和重量也越來越大，結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜。底座是用型鋼和鋼板等焊接而成的，變形和應(yīng)力難以用一般方法計算。本文以某煉化公司的2×106t/a 加氫裂化裝置的加氫進(jìn)料泵-液力透平機組的整體底座為例，通過Workbench 進(jìn)行靜力學(xué)分析，計算得到了工作狀態(tài)和吊裝狀態(tài)下的應(yīng)力和變形量，為此類大型底座的設(shè)計提供了理論支撐。

1 整體底座結(jié)構(gòu)參數(shù)

底 座 規(guī) 格（ 長 度× 寬 度）：13 500 mm×3 000 mm，底座上安裝有加氫進(jìn)料泵、齒輪箱、電機、離合器、液力透平和機封系統(tǒng)等，如圖1 所示。各設(shè)備的質(zhì)量參見表1，機組總重約48 t。

圖1 機組圖Fig.1 Unit diagram

表1 機組設(shè)備表Table 1 Unit equipment list

2 工作狀態(tài)分析

2.1 分析條件和模型簡化

底座材料為Q235B，材料屈服強度σs= 235 MPa，彈性模量E= 200 GPa，泊松比μ= 0.3，許用應(yīng)力[σ] = 0.8σs= 188 MPa。

底座采用SolidWorks 建模，建模時對底座上的不影響計算結(jié)果的集液槽、放氣孔和接地耳等進(jìn)行簡化，以減少不必要的網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約分析時間。底座三維模型輸出為xt格式文件，如圖2 所示。

圖2 計算模型Fig.2 Calculation model

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

在ANSYS Workbench 中調(diào)入上述建好的x_t 格式的三維模型，對其劃分網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分如圖3所示，模型單元數(shù)362 563，節(jié)點數(shù)1 500 095。

圖3 劃分網(wǎng)格圖Fig.3 Mesh partition model

根據(jù)GB/T 3215—2019《石油、石化和天然氣工業(yè)用離心泵》的規(guī)定，管口力矩作用方向有兩種，因此，邊界條件分別按以下兩種情況定義：

（1）固定底座兩側(cè)安裝地腳螺栓的槽鋼底面，在各設(shè)備的重心位置對應(yīng)施加表1 中的壓力，對整體底座施加向下的重力加速度9 806 6 mm/s2。在加氫進(jìn)料泵位置加載轉(zhuǎn)矩4 496 N·m，方向為-X向；在電機位置加載轉(zhuǎn)矩2 877 N·m，方向為X向；在液力透平處加載轉(zhuǎn)矩1 619 N·m，方向為X向。在泵的吸入口位置施加管口力矩11 400 N·m（口徑DN 250，本項目取標(biāo)準(zhǔn)值的3 倍），方向為Y向。在透平的吐出口位置施加管口力矩7 740 N·m（口徑DN 200，本項目取標(biāo)準(zhǔn)值的3 倍），方向為-Y向。此狀態(tài)的邊界條件見圖4。

圖4 邊界條件圖一Fig.4 Boundary condition 1

（2）保持其余邊界條件不變，在泵的吸入口位置施加管口力矩7 320 N·m（口徑DN 250，本項目取標(biāo)準(zhǔn)值的3 倍），方向為Z向。在透平的吐出口位置施加管口力矩5 280 N·m（口徑DN 200，本項目取標(biāo)準(zhǔn)值的3 倍），方向為Z向。此狀態(tài)的邊界條件見圖5。

圖5 邊界條件圖二Fig.5 Boundary condition 2

2.3 求解分析

2.3.1 通過ANSYS 的常規(guī)求解器求解，第一種邊界條件下的總變形圖如圖6 所示，最大變形量為0.060 7 mm，位置在液力透平端底座面板的灌漿孔處。第二種邊界條件下的總變形圖如圖7 所示，最大變形量為0.061 mm，位置與第一種情況相同。

圖6 總變形云圖一Fig.6 Total deformations contour 1

圖7 總變形云圖二Fig.7 Total deformations contour 2

2.3.2 兩種邊界條件下，在加氫進(jìn)料泵和液力透平支架處的變形均在0.013 5 mm 以內(nèi)。據(jù)此折算出在各設(shè)備軸端的最大變形在0.02 mm 以內(nèi)，滿足工作要求。

2.3.3 第一種邊界條件下的最大等效應(yīng)力為16.43 MPa，第二種邊界條件下的最大等效應(yīng)力為17.54 MPa，均遠(yuǎn)小于許用值188 MPa。

3 吊裝狀態(tài)分析

3.1 吊裝分析用的模型、材料和網(wǎng)格等與工作狀態(tài)分析時的相同

本項目機組總重較大，考慮吊裝和運輸?shù)仍?，電機采用單獨吊運方式。故在除電機之外各設(shè)備的重心位置對應(yīng)施加表1 中的壓力。在吊環(huán)孔處約束垂直方向的移動，對整體底座施加向下的重力加速度9 806.6 mm/s2。吊裝狀態(tài)的邊界條件見圖8。

圖8 吊裝邊界條件圖Fig.8 Boundary conditions of hoisting

3.2 求解分析

3.2.1 經(jīng)過求解，底座的總變形如圖9 所示，最大變形為0.313 mm，位置在加氫進(jìn)料泵支架和齒輪箱支架之間。3.2.2 底座的應(yīng)力分布見圖10。由圖中可以看出最大等效應(yīng)力為81.59 MPa，位置在加氫進(jìn)料泵側(cè)的吊環(huán)處。

圖9 吊裝總變形云圖Fig.9 Total deformation contour of hoisting

圖10 等效應(yīng)力云圖Fig.10 Equivalent tress contour

4 結(jié)論

（1） 本文通過建立大型泵-液力透平機組整體底座的三維模型，采用ANSYS Workbench 求解了工作狀態(tài)和吊裝狀態(tài)下的應(yīng)力和變形量，得到了最大變形和最大等效應(yīng)力的具體位置。

（2）此類大型機組重量較大，為求解準(zhǔn)確，在底座的設(shè)計、分析之前就應(yīng)該確定好機組的吊裝方案。

（3）此機組已安裝完成并開車投產(chǎn)，說明整體底座可滿足實際要求。