高速泵葉輪力學(xué)強(qiáng)度影響因素的正交試驗(yàn)研究

王小華，靳 鑫

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100076）

高速泵屬于離心泵的范疇，基本原理是電動(dòng)機(jī)通過泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)液體作功，使其能量增加，從而將葉輪的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體能量[1]。普通的離心泵是用多級(jí)實(shí)現(xiàn)小流量、高揚(yáng)程的目標(biāo)，高速泵則是用高轉(zhuǎn)速替代多級(jí)，即它是單級(jí)高轉(zhuǎn)速離心泵。高速泵的葉輪通過齒輪箱可將轉(zhuǎn)速提高到30000r·min-1，揚(yáng)程達(dá)到2000m甚至更高[2]。葉輪是高速泵的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響泵的流量、揚(yáng)程、效率、抗汽蝕性能等。近年來，為了獲得更優(yōu)異的性能，高速泵的轉(zhuǎn)速不斷提高，使用環(huán)境也變得更加惡劣，對(duì)高速泵葉輪的力學(xué)強(qiáng)度要求也越來越高[3]。國內(nèi)學(xué)者在葉輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。徐宏偉等人[4]闡述了常規(guī)離心泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及計(jì)算流體力學(xué)在設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵作用，并提出了一種可以有效改善泵效率、縮短設(shè)計(jì)周期的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。馮喆[5]構(gòu)建了離心泵葉輪的三維結(jié)構(gòu)模型，借助數(shù)值模擬分析軟件研究了流體在葉輪內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，并基于研究結(jié)果，進(jìn)行了葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。張相志等人[6]借助正交試驗(yàn)法完成了葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)和流道型線，從而有效提高了泵的效率。黃洛川等人[7]使用正交試驗(yàn)方法，對(duì)現(xiàn)有離心泵的葉輪進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用極差分析研究了各因素對(duì)設(shè)計(jì)工況下離心泵揚(yáng)程的影響，獲得了優(yōu)化的葉輪模型，并從內(nèi)部流場中分析了揚(yáng)程提高的原因。蔣敦軍等人[8]詳細(xì)介紹了利用三維曲面構(gòu)造葉輪模型的步驟，這種方法可以簡化離心泵中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的葉輪的設(shè)計(jì)流程。劉棟等人[9]借助計(jì)算流體力學(xué)和離散單元法耦合的計(jì)算方法，研究了葉輪結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致的水力部件磨損的變化情況，完成了水力部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由此可見，近年來許多研究者從葉輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、水力特性優(yōu)化、磨損特性分析等方面，對(duì)葉輪進(jìn)行了研究分析，并取得了一些成果。但對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響因素的研究，公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)還較少。

本文針對(duì)葉輪葉片力學(xué)強(qiáng)度不足導(dǎo)致葉片斷裂的故障問題進(jìn)行原因分析(圖1)，采用葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，探索葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律及影響趨勢。

圖1 高速泵葉輪葉片斷裂故障Fig.1 High-speed pump impeller blade fracture and original model

1 分析前處理

1.1 研究對(duì)象

葉輪是高速泵的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響泵的流量、揚(yáng)程、效率、抗汽蝕性能等。葉輪通常以鍵連接的形式與高速軸聯(lián)接，高速軸驅(qū)動(dòng)葉輪產(chǎn)生離心力，泵送介質(zhì)在離心力的作用下獲得所需的動(dòng)能。高速泵通常采用半開式、懸臂式葉輪(圖2)，葉輪外徑Φ152mm，共12個(gè)葉片，包含6個(gè)長葉片、6個(gè)短葉片。分別改變?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、入口寬度和葉片厚度等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)葉輪等效應(yīng)力結(jié)果，對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行分析研究。

圖2 高速泵葉輪原始模型Fig.2 Original model of High-speed pump

1.2 屬性設(shè)置

高速泵葉輪材料為不銹鋼（316L），材料的特性參數(shù)如下：密度7750kg·m-3，熱膨脹系數(shù)1.7×10-5℃-1，泊松比0.31，彈性模量1.93×1011N·m-2。

按照葉輪的實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)定邊界條件，在葉輪輪轂處施加圓柱支撐，并定義葉輪轉(zhuǎn)速。

1.3 正交試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)法可以在減少試驗(yàn)次數(shù)的前提下獲得正確的結(jié)論[10]。本文借助正交試驗(yàn)法，分析葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度等因素對(duì)高速泵葉輪的力學(xué)強(qiáng)度的影響。正交試驗(yàn)水平因素表見表1，因素包括葉輪轉(zhuǎn)速、入口寬度、葉片厚度。葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為6621、8258、9818r·min-1；入口寬度設(shè)置為52.2、74.3、100mm；葉片厚度設(shè)置為3.0、4.0、5.0mm。正交試驗(yàn)方案見表2，為了忽略其它因素的影響，試驗(yàn)過程中要確保葉輪的其它結(jié)構(gòu)參數(shù)保持一致。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experiment factor and level

表2 正交試驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal experiment program

2 結(jié)果與分析

采用極差分析的方法，研究了葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度影響的變化趨勢，葉輪等效應(yīng)力的正交試驗(yàn)結(jié)果見表3。葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度的變化對(duì)葉輪等效應(yīng)力的影響程度，用極差值R表示，R值越大說明對(duì)應(yīng)的因素水平變化時(shí)對(duì)葉輪等效應(yīng)力的影響越大。使用式(1)～(3)可以計(jì)算得到R值。kij代表葉輪等效應(yīng)力隨著葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度變化的變化趨勢，Ri則代表葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度對(duì)葉輪等效應(yīng)力影響的主次順序。

表3 葉輪等效應(yīng)力的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment results of impeller equivalent stress

式中，Eij為葉輪等效應(yīng)力，其中i為正交試驗(yàn)水平因素編號(hào)，依次為A、B、C；j為正交試驗(yàn)水平編號(hào)，依次為1、2、3；Ri定義為極差值。

從表3可知，kAj結(jié)果依次為146.17、214.15、319.71，逐漸增大；kBj結(jié)果依次為290.97、214.71、174.35，逐漸減小；kCj結(jié)果依次為217.76、227.13、235.15，逐漸增大。Ri結(jié)果依次為173.54、116.62、17.39，逐漸減小。Ri的研究結(jié)果表明，影響葉輪等效應(yīng)力的最主要因素是葉輪轉(zhuǎn)速，其次是葉輪入口寬度，影響最小的是葉片厚度。根據(jù)kAj的研究結(jié)果得到圖3的影響趨勢變化曲線。分析曲線的變化趨勢可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的提高和葉片厚度的增大，葉輪的等效應(yīng)力增大，葉輪轉(zhuǎn)速使得葉輪等效應(yīng)力的增大幅度更加明顯，葉片厚度變化的影響則較為平緩；隨著葉輪入口的寬度加大，葉輪等效應(yīng)力逐漸減小。綜上所述，葉輪轉(zhuǎn)速是影響葉輪力學(xué)強(qiáng)度的主要因素，葉片厚度對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響較小。

圖3 葉輪等效應(yīng)力的影響規(guī)律Fig.3 Influence trends of impeller equivalent stress

3 結(jié)論

本文針對(duì)葉輪葉片力學(xué)強(qiáng)度不足導(dǎo)致葉片斷裂的原因進(jìn)行分析，根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度的數(shù)值模擬分析結(jié)果，進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，分析了葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪入口寬度、葉輪葉片厚度等因素對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律及影響趨勢。研究結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速對(duì)葉輪力學(xué)強(qiáng)度的影響最大，葉輪入口寬度的影響次之，葉片厚度的影響最小。隨著葉輪轉(zhuǎn)速和葉輪葉片厚度的增大，葉輪等效應(yīng)力逐漸增大；隨著葉輪入口寬度的增大，葉輪等效應(yīng)力逐漸減小。本文的研究成果可為高速泵葉輪的轉(zhuǎn)速選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。