作用在離心泵葉輪上的力不僅有流體的壓力還有葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力。為了能夠準(zhǔn)確說明離心泵葉輪的應(yīng)力和應(yīng)變情況，某研發(fā)項(xiàng)目組利用數(shù)字化的模擬仿真技術(shù)對(duì)這些作用力進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。

工程師在對(duì)泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮每一個(gè)零部件的受力情況，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。如果在最初設(shè)計(jì)中就存在缺陷或不足，那么在使用過程中必然會(huì)出現(xiàn)零部件的損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備無法正常工作，甚至整條生產(chǎn)線的停工。另一方面，過于保守的設(shè)計(jì)會(huì)增加用料，從而增加設(shè)備成本，降低功率密度（單位重量與功率之比）。

利用FSI準(zhǔn)確分析葉輪的負(fù)載特性

離心泵工作時(shí)，其靜止的零部件只需承受流體壓力的作用，而轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪還要同時(shí)承受由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶來的離心力。流體壓力與離心力的合成力將帶來復(fù)雜的應(yīng)力和應(yīng)變，而且無法利用簡單的力學(xué)分析方法來準(zhǔn)確描述。為了得到可靠而有力的結(jié)論，必須采用計(jì)算機(jī)支持的模擬仿真工具。這種把流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)合在一起的計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)被稱之為FSI(流體固體相互作用力學(xué)分析)；能夠準(zhǔn)確的對(duì)離心泵葉輪在流體壓力和葉輪旋轉(zhuǎn)離心力復(fù)合作用下的應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 試驗(yàn)中的HG系列多段式水泵在火力發(fā)電廠中被用作離心泵

本文所介紹的試驗(yàn)的目的是：為多段式水泵的葉輪性能改進(jìn)提供相關(guān)的應(yīng)力和形變狀態(tài)的基本數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中使用的葉輪如圖2所示，其所裝配的多段式水泵如圖1所示，是一種在火力發(fā)電廠中使用的HG系列多段式水泵。

全段特性曲線范圍內(nèi)的流量模擬

試驗(yàn)在水泵最具代表性的階段進(jìn)行，包括連接兩個(gè)水泵葉輪的導(dǎo)輪以及將流體輸送到下一級(jí)的反饋裝置。在計(jì)算葉輪所受壓力時(shí)，對(duì)整個(gè)階段的流量情況進(jìn)行了模擬，并將模擬結(jié)果與這一階段范圍內(nèi)的特性曲線進(jìn)行比較。對(duì)比結(jié)果表明：模擬結(jié)果與特性曲線的重合度極高；這樣就可以進(jìn)一步結(jié)合流動(dòng)狀況分析建立起符合實(shí)際的流量模型。

下一步就是流體與機(jī)械結(jié)構(gòu)的單向耦合。在這一步驟中，假設(shè)形變很小，葉輪對(duì)流體的反作用就可以忽略不計(jì)，從而明顯縮短模擬分析的運(yùn)算時(shí)間。這對(duì)于測試多種參數(shù)對(duì)葉輪強(qiáng)度形成的綜合影響是非常有意義的。基于這一原因，此后的描述也僅限于不同時(shí)刻的CFD瞬時(shí)計(jì)算的、在壓力邊界條件下的靜態(tài)FEM有限元計(jì)算。試驗(yàn)對(duì)多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了測試，其中最重要的影響因素是以下3個(gè)：泵的工作點(diǎn)、葉片后緣的形狀以及葉片與輪轂之間的過渡圓角半徑。

圖2 HG系列多段式水泵的葉輪

葉片和輪轂過渡處的應(yīng)力集中

離心泵的揚(yáng)程與輸送流量有關(guān)，輸出的流量小于額度流量時(shí)，揚(yáng)程提高。這就導(dǎo)致泵內(nèi)壓力的提高，證明葉輪受到的應(yīng)力隨之提高的假設(shè)是正確的。由應(yīng)力集中而產(chǎn)生的最大應(yīng)力總是出現(xiàn)在葉片和輪轂之間的過渡部位。因此，圖3中無量綱的比較應(yīng)力表示的是葉片壓力側(cè)、吸入側(cè)以及葉片根部前和后等4處過渡圓角半徑中間的應(yīng)力比較情況。為了對(duì)最佳點(diǎn)的情況進(jìn)行比較，試驗(yàn)時(shí)選擇的泵流量是其工作時(shí)允許的最小流量，為額定流量的30%。

兩個(gè)工作點(diǎn)的比較數(shù)據(jù)表明：不僅最大應(yīng)力有明顯變化，而且最大應(yīng)力的作用點(diǎn)也在變化。除“支撐板-SS”（SS=吸入側(cè)，DS=壓力側(cè)）以外，最佳工作點(diǎn)的應(yīng)力都高于部分負(fù)載的工況，初看起來與直觀的認(rèn)識(shí)是矛盾的。對(duì)這種矛盾結(jié)果的一種解釋就是：葉輪受到的壓力和離心力部分抵消了。然后，就要分析流動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的影響：尤其是在部分負(fù)載的工況下，葉片吸入側(cè)的流體分離對(duì)產(chǎn)生的應(yīng)力是有影響的。圖3表示出了泵最佳工作點(diǎn)時(shí)的所有試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 葉輪工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)力的影響

過渡圓角半徑的性質(zhì)對(duì)應(yīng)力的影響

當(dāng)葉片后緣的過渡圓角比較“鋒利”時(shí)，我們將這種后緣稱為“無過渡圓角的后緣”。在徑向和半軸向葉輪中這種無過渡圓角的后緣是一種能夠稍微提高揚(yáng)程和微量調(diào)節(jié)揚(yáng)程的常見措施。為了測定葉片后緣幾何形狀對(duì)葉片應(yīng)力的影響，試驗(yàn)時(shí)使用的葉片既有“后緣無過渡圓角”的葉片，也有“后緣有過渡圓角”的葉片。CFD計(jì)算結(jié)果顯示：有過渡圓角的功比值增加了約10%，在應(yīng)力上也有積極效果，如圖4所示。曲線的基本形狀保持不變，但應(yīng)力水平略有下降；尤其是在葉片后緣，應(yīng)力減少的幾乎一樣。從流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度來看，這種變化是非常有意義的。為了能夠直接對(duì)葉片和輪轂之間過渡圓角半徑的影響進(jìn)行測定，工程師制定了4個(gè)不同的過渡圓角半徑。最小的過渡圓角半徑測試結(jié)果表明：在曲線形狀特性基本保持不變的情況下，應(yīng)力減少的量是恒定的（圖5）。因此可以得出結(jié)論：過渡圓角半徑是一個(gè)影響應(yīng)力大小的重要參數(shù)。其原因就在于較大的過渡圓角半徑直接減少了應(yīng)力集中。當(dāng)然，若過渡圓角半徑太大也會(huì)對(duì)流動(dòng)性能帶來影響，因?yàn)槠錅p小了有效的流通面積。

圖4 葉片后緣形狀對(duì)應(yīng)力的影響

數(shù)字化模擬下的應(yīng)力區(qū)分析

最后，可以做出這樣的小結(jié)：在正常工作條件下，離心泵葉片受到流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的負(fù)載作用。由于兩種作用力的合成力非常復(fù)雜，應(yīng)力區(qū)也非常復(fù)雜，因而無法簡單的分析計(jì)算。在本文介紹的情況下只能借助數(shù)字化的模擬仿真技術(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

通過對(duì)兩個(gè)不同工作點(diǎn)的應(yīng)力分析得知：葉片承受的應(yīng)力變化與泵的輸送流量有密切關(guān)系。盡管輸送流量提高時(shí)作用在葉片上的壓力提高的較少，但由于壓力和離心力的合力是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的力，因此最大應(yīng)力還是會(huì)有所提高。兩個(gè)結(jié)構(gòu)性的幾何參數(shù)也被作為影響因素進(jìn)行了測試。無論是從流體力學(xué)還是結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度來看，有過渡圓角的葉片后緣都是非常有益的。

圖5 過渡圓角半徑對(duì)應(yīng)力的影響

有目的的進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉片與葉輪吸入側(cè)和壓力側(cè)的過渡圓角半徑是影響葉片應(yīng)力的主要因素；過渡圓角半徑太大會(huì)對(duì)葉輪腔的液體流動(dòng)帶來不可忽視的影響。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果有針對(duì)性的進(jìn)行葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證離心泵在交變載荷作用下的長使用壽命。