離心泵雙吸葉輪斷裂分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

高 敏

（大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司，遼寧大連 116031）

0 引言

離心泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)葉輪，將液體從低壓區(qū)域輸送到高壓區(qū)域，實(shí)現(xiàn)液體的加壓和輸送，是一種常見(jiàn)的流體機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、通用工業(yè)等領(lǐng)域。葉輪是離心泵最重要的工作元件之一，葉輪的性能取決于水力設(shè)計(jì)，也與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，其可靠性設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)離心泵的安全運(yùn)行有著重要影響[1-3]。

某離心泵雙吸葉輪使用不到半年就出現(xiàn)撕裂情況，在考慮到葉輪在流體壓力載荷及離心力載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力及變形的前提下，利用ANSYS Workbench中CFX 與Static Structural 相結(jié)合的流固耦合方法，分析葉輪裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)閼?yīng)力集中（圖1）。因此，對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行分析。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象大幅減少，能夠滿足葉輪強(qiáng)度要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，葉輪運(yùn)行良好，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)目的。

圖1 葉輪裂紋

1 三維模型

本文采用Solidworks 軟件完成葉輪三維模型和流體域三維模型的創(chuàng)建（圖2）。其中，流體域三維模型包括吸入室、葉輪和吐出室，流體域分析計(jì)算所用模型與結(jié)構(gòu)固體模型一一對(duì)應(yīng)[4]；葉輪為雙吸葉輪，葉片數(shù)為4。

圖2 葉輪和流體域的三維模型

2 有限元模型

有限元模型要充分考慮計(jì)算的收斂性與實(shí)際模型的平衡關(guān)系，采用六面體單元和四面體單元組合對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對(duì)易發(fā)生應(yīng)力集中區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化。葉輪與流體域有限元模型如圖3 所示。

圖3 葉輪和流體域的有限元模型

3 流體域數(shù)值模擬分析

葉輪運(yùn)行時(shí)工況為：入口壓力0 MPa，流量464 m3/h，轉(zhuǎn)速2980 r/min。

采用ANSYS Workbench CFX 模塊進(jìn)行求解，邊界和初始條件如表1 所示。

表1 邊界和初始條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型、一階迎風(fēng)格式對(duì)流體域進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。k-ε 標(biāo)準(zhǔn)模型為[5]：

式中 k——湍動(dòng)能

ε——湍動(dòng)耗散率

μt——湍動(dòng)黏度Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

經(jīng)驗(yàn)常數(shù)分別取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cu=0.09，σk=1.0，σε=1.3，則葉輪流線如圖4 所示；吸入室、葉輪和吐出室的壓力分布如圖5 所示，介質(zhì)產(chǎn)生的流體壓力最大為3.395 MPa。

圖4 葉輪流線

圖5 吸入室、葉輪和吐出室壓力分布

對(duì)于流體域計(jì)算結(jié)果分析：

（1）根據(jù)葉輪流線分布，計(jì)算工況葉輪內(nèi)部流線分布不均勻，流動(dòng)損失大，效率低。

3.2.4 杜絕較難測(cè)量出入量項(xiàng)目漏記現(xiàn)象的發(fā)生 避免對(duì)汗液、痰液、傷口引流液等較難測(cè)量項(xiàng)目的漏記，如果大便、痰液收集器未測(cè)量即倒去，應(yīng)該在護(hù)理監(jiān)護(hù)單上實(shí)時(shí)標(biāo)明并估算相應(yīng)的出量，對(duì)出汗和滲出液的計(jì)量可分別采用稱量衣服和敷料紗布重量增多的方法，呼吸道的蒸發(fā)等項(xiàng)目可依據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)折算或測(cè)算，例如正常成人每天呼吸道失水約350 ml，如有氣管插管、切開(kāi)或上呼吸道感染患者則失水量應(yīng)增多。

（2）通過(guò)流體域壓力分布圖可知，葉輪從入口端面到出口外徑處壓力不斷增加，在葉輪出口處壓力達(dá)到最大，位置與實(shí)際中裂紋形成位置比較接近。

4 葉輪強(qiáng)度分析

葉輪強(qiáng)度分析的目的是，計(jì)算葉輪在工作載荷下的應(yīng)力分布及最大應(yīng)力[6]，以校核葉輪設(shè)計(jì)能否滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。采用位移法求解時(shí)，以位移分量為基本未知函數(shù)，根據(jù)力平衡方程求解出位移分量，然后根據(jù)幾何方程求解出形變分量，最后根據(jù)物理方程求解出應(yīng)力分量，得到葉輪受力分布情況。力平衡方程為：

其中，δ、F 分別為節(jié)點(diǎn)的位移矩陣和載荷矩陣，K為整體剛度矩陣。

葉輪材料為316#鋼，工作溫度125 ℃下材料彈性模量為188 GPa，密度為8030 kg/m3，泊松比為0.31，屈服強(qiáng)度為168 MPa。按照第四強(qiáng)度理論，計(jì)算等效應(yīng)力：

4.1 葉輪所受載荷及邊界條件

葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)承受離心力載荷，同時(shí)由于離心泵內(nèi)流體壓力分布不均，葉輪蓋板、葉片工作面、葉片背面及葉片出口等表面同時(shí)承受流體壓力載荷。因此，葉輪所受載荷及邊界設(shè)置包括兩個(gè)方面：一是邊界載荷，葉輪輪轂與軸配合面處約束位移和旋轉(zhuǎn)自由度；二是計(jì)算載荷（圖6）。計(jì)算載荷也包括兩個(gè)部分：

圖6 葉輪加載示意

（1）產(chǎn)生離心力載荷的旋轉(zhuǎn)速度2980 r/min。

（2）壓力載荷：根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果，提取流體介質(zhì)作用在葉輪上的壓力載荷作為輸入。壓力載荷作用在葉片工作面、葉片背面、葉片出口、葉輪前蓋板、葉輪后蓋板以及葉輪其余各個(gè)壁面。

4.2 葉輪應(yīng)力分析

旋轉(zhuǎn)載荷及流體壓力載荷共同作用下葉輪應(yīng)力分析結(jié)果如圖7 所示，結(jié)果分析如下：

圖7 葉輪應(yīng)力云圖

（1）葉輪的受力分布不均，葉輪當(dāng)量應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在葉輪出口葉片與蓋板交界處，是葉輪最容易破壞及最危險(xiǎn)的部位[7-9]，與實(shí)際葉輪裂紋處位置吻合。

（2）葉輪出口葉片最蓋板交界處最大當(dāng)量應(yīng)力為185.24 MPa，遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度168 MPa，不滿足強(qiáng)度要求，是葉輪產(chǎn)生裂紋的直接原因。

5 葉輪結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了提高葉輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，改進(jìn)葉輪結(jié)構(gòu)，將原4 葉片葉輪改為交錯(cuò)布置5 葉片葉輪，并增大葉片與蓋板圓角（圖8）。優(yōu)化后對(duì)葉輪重新進(jìn)行流體分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，其有限元模型如圖8b）所示。

圖8 改進(jìn)后的葉輪三維幾何模型和有限元模型

改進(jìn)后葉輪流線如圖9 所示，葉輪內(nèi)部流線分布較為均勻、流動(dòng)更順暢、流動(dòng)損失小、效率更高。吸入室、改進(jìn)后葉輪和吐出室的壓力分布剖面圖如圖10 所示，介質(zhì)產(chǎn)生的流體壓力最大為3.114 MPa，較4 葉片略有降低。

圖9 改進(jìn)后葉輪流線

圖10 吸入室、改進(jìn)后葉輪和吐出室壓力分布

將流體域計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入靜態(tài)分析，得到改進(jìn)后葉輪應(yīng)力分析結(jié)果（圖11）。葉輪當(dāng)量應(yīng)力最大位置出現(xiàn)在葉輪出口葉片與蓋板交界處，最大當(dāng)量應(yīng)力為69.362 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度168 MPa，滿足強(qiáng)度要求，并在現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11 改進(jìn)后葉輪應(yīng)力云圖

6 結(jié)論

（1）利用有限元仿真方法得到了葉輪在流體壓力載荷和離心力載荷作用下的應(yīng)力分布情況。根據(jù)應(yīng)力云圖可知，葉輪出口葉片與蓋板交界處產(chǎn)生的集中應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料屈服強(qiáng)度，是造成葉輪出口葉片與蓋板交界處出現(xiàn)裂紋的直接原因。

（2）離心泵葉輪受力分布不均，在葉輪出口葉片與蓋板交界處存在應(yīng)力集中，增大葉片與蓋板間的圓角半徑，可以顯著降低應(yīng)力集中數(shù)值，降低此處破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采用流固耦合方法對(duì)離心泵葉輪在運(yùn)行工況下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了仿真分析，分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致，可用于指導(dǎo)葉輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。