某叶片式离心泵的叶轮部件结构静力学分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第３期　Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．３　西华大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ・Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　２００８年５月　Ｍａｖ．２００８　文章编号：１６７３—１５９Ｘ（２００８）０３－００１１－０３　某叶片式离心泵的叶轮部件结构静力学分析　唐立新，赖喜德，周建强，邵国辉　（西华大学能源与环境学院，四川成都６１００３９）　摘要：使用有限元法对叶轮进行结构静力学分析。首先在ＵＧ中建立叶轮的三维实体模型，然后由ＦＬＵＥＮＴ　软件仿真得出泵腔内的油压分布，再在ＡＮＳＹＳ中以ｓｏｌｉｄ１８７单元类型划分网格，通过对叶轮的结构静力学分析，可　以清楚地显示其应力分布，找出应力集中点，验证其可靠性，并为进一步的模态分析和瞬态分析打下基础，为泵的　结构优化提供了数据支持。　关键词：叶轮；结构分析；应力；变形；ＡＮＳＹＳ　中图分类号：ＴＨ３１１　文献标识码：Ａ　某型汽轮机主油泵为双吸式离心泵。该泵是汽　轮机油系统的关键设备之一，主油泵运行正常与否　将直接影响机组的安全可靠性。叶轮是主油泵内的　构网格对其进行离散，因此我们选择与非结构网格　相对应的ｓｏｌｉｄ１８７号单元。该单元为１０节点四面　体单元，具有２阶精度，适用于空间结构的弹性、塑　性、超弹性、蠕变等结构分析。然后叶轮表面还要承　载油压力，以及键槽表面要承受方键的压力，这些载　旋转部件，其工作特点是转速高，达到３　０００　ｒ／ｍｉｎ　以上，工作压力等级高，高达１．８　ＭＰａ，因此该叶轮　是主油泵结构分析中的重点。本文采用有限元软件　ＡＮＳＹＳ对主油泵叶轮进行结构静力学分析，通过这　一荷都可以选用ｓｕｒｆ１５４号单元来加载。该单元为空　间结构表面效应单元，适用于三维表面变载荷或表　面效应的加载分析，并且该单元可以与ｓｏｌｉｄｉ８７号　单元相适应产生三角形的表面单元。　分析可以掌握叶轮部件的应力、变形等力学特性，　并为以后的模态分析和瞬态分析打下良好的基础。　１　叶轮静力学分析及计算过程　１．１　叶轮实体建模与有限元模型的生成　由于离心泵叶轮具有复杂的空间几何形状，其　叶面是由多个复杂的雕塑曲面组成，因此在三维　ＣＡＤ软件ＵＧ中建立起了它的实体模型。然后将叶　轮实体模型存储为Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式的文件，ＡＮＳＹＳ有　Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式文件的接口，导人该文件并显示叶轮　的实体模型（如图１所示）。　在ＡＮＳＹＳ中检查叶轮实体模型并确认无误，然　后设置叶轮的材料属性（如表１所示）。接下来选　择单元类型，由于ＡＮＳＹＳ是通用有限元软件，可以　图１叶轮实体模型　表１叶轮的材料属性　进行多种类型的分析，针对不同的分析类型它提供　了二百多种单元类型。本文是对叶轮进行结构静力　学分析，需要选择与结构分析相关的单元类型。首　先叶轮体上承受惯性载荷，这样就需要应用结构分　析中的体单元，同时由于叶轮体形状复杂，难以用结　在选择好单元后，就要用相应的单元对叶轮划　分网格，ＡＮＳＹＳ提供了自由网格与映射网格的划分　收稿日期：２００７－１２－０６　基金项目：四Ｊ　ＪＩ省重点学科建设重点项目（Ｎｏ．ＳＺＤ　０４１２）；四川Ｆ省教育厅自然科学重点项目（Ｎｏ．２００４Ａ１１３）　作者简介：唐立新（１９７４一），男，黑龙江省宁安市人，硕士研究生，主要研究方向：流体机械数字化设计与制造理论及技术。　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ２　西华大学学报・自然科学版　２００８正　方式。由于叶轮形状较复杂，难以使用映射网格划　分该几何体，所以我们选择使用自由网格划分方式。　另外，ＡＮＳＹＳ还提供了智能网格划分功能，智能网　格划分功能是一种比较高效的自由网格划分方法，　它考虑几何图形的曲率以及线与线的接近程度自动　进行网格划分，共分为１０个级别，级别越高划分的　越粗，反之越细。经过多次划分，在使用６以下级别　划分叶轮网格时失败，所以使用级别为７智能网格　划分功能对叶轮进行网格划分。¨　划分好网格后　的叶轮的单元个数为２２６　５５３个，节点个数为３０５　７０４个，叶轮网格如图２所示。至此完成了叶轮有　限元模型的建立。　Ｅｉ　ＥＭＥ　Ｉ、　｝％ｗｅｒＧｒａｐｈｉｃ；ｓ　Ｅ：ＦＡｌ：Ｅ１＿．１　图２叶轮有限元模型　１．２施加载荷与分析计算　计算工况。叶轮的设计工况为３　０００　ｒ／ｍｉｎ，设　计的最大转速工况为３　６００　ｒ／ｍｉｎ。针对设计要求，　我们将计算工况也设置为３　０００　ｒ／ｍｉｎ和３　６００　ｒ／　ｍｉｎ两种工况。　受力分析。叶轮工作时是由主轴驱动做高速　旋转，主轴通过方键将扭矩传递给叶轮，因此叶轮　的键槽表面要承受的由主轴传来的扭矩。同时在　泵腔内充满了透平油，由叶轮旋转将油泵到油道　中，因此叶轮的叶面上还要承受很大的油的压力。　此外由于叶轮的转速极高，因此在叶轮旋转时还　要产生极大的惯性力。还有叶轮自身的重力，但　由于叶轮的转速高，惯性大，而且叶面承受的油压　也较大，所以与上述两种力相比叶轮自身的重力　可以被忽略不计。　施加载荷。首先我们分析叶轮在空气中旋转时　的情况，这时只在叶轮上加载由其自身旋转所产生　的惯性力，此时只用１８７号单元即可。由于叶轮并　非完全对称，因此需要在轮毂内的四个键槽底面上　均匀选取８个节点，在这些节点上施加周向和轴向　位移约束。这样才能平衡由于叶轮的不对称性所产　生的轴向位移，并得到完全的约束方程使得计算收　敛，同时还不会影响计算结果的真实性。＿３“　其次我们分析叶轮在正常工作时的情况，这时　除了加载上面所有的载荷和约束外，还要在叶片表　面加载油压力，压力数据由ＦＬＵＥＮＴ中提取并读人　ＡＮＳＹＳ中，加载压力载荷后的叶片表面单元如图３　和图４所示。另外在键槽向着旋转方向一侧的表面　上要加载由驱动轴传来的压力，这时除了用１８７号　单元外还需要使用１５４号单元来加载上面的两种压　力载荷。通过有无油压两种载荷状态的计算，可以　分析比较得出油压力和键槽受力对叶轮的应力及变　形的影响。　ＥＬＥＭＥＮｒＳ　ＰｏｗｅｒＧｒａｐｈｉｃｓ　ＥＦＡＣＥＴ　ｌ　ＰＲＥｓ－ＮＯＲＭ　－２１８６３１　●６５０５６　吕　口３９５６６９　∞５４９２４４　（１］７０２８ｌ９　【二］８５６３９４　四１０ｌＥ＋０７　●ｌ１６Ｅ＋０７　图３　３０００　ｒ／ｍｉｎ时叶片上的油压分布　图４　３６００　ｒ／ｍｉｎ时叶片上的油压分布　求解计算。进入ＡＮＳＹＳ求解器，设置分析类　型为结构分析，求解器类型为ＰＣＧ，其他均取默认　值　Ｊ，分别对４种载荷情况进行求解计算。　１．３计算结果的提取　计算完成后，进入ＡＮＳＹＳ的后处理器ｐｏｓｔｌ，在　这里ＡＮＳＹＳ提供了关于结构分析的多种计算结果，　而且既能用云图表示也可进行数据列表　』，读取叶　轮的应力及变形数据结果，提取各工况下的应力和　变形图（如图５。图１２所示）。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　唐立新等：某叶片式离心泵的叶轮部件结构静力学分析　ｌ３　ＮＯＤＡＬ　ｓｏＵＪＴ１０Ｎ　ｓＴＥＰ＝３　ＳｕＢ＝１　Ｔ【ＭＥ＝３　２１７Ｅ　ＳＭＮ＝６ｓ２２７　ＳＭＸ＝５９１Ｅ＋０８　ｍｍｍ　６６２Ｅ＋０７　６５翌７　∞ｌ３２Ｅ＋０８　口ｌ９７Ｅ＋Ｏ８　口２６３Ｅ　０８　口３２９Ｅ＋０８　Ｉ２２３　３９４Ｅ＋０８　［］４６０Ｅ＋０８　圈５２５Ｅ＋０８　ｍｍｍ　ｌＥ＋０８　图５　３０００ｒ／ｍｉｎ无油压时的等效应力分布　ＮＯＤＡＩ　ＳＯＬＵＴｉｆ】Ｎ　卯ＥＰ＝ｌ　ＳＵＢ－ｌ　１５｛）Ｅ一０４　ＳＭＮ＝６∞７８　ＳＭＸ＝５３６Ｅ＋０８　６０５７８　ｍｍｍ加ｌＦ＋０７　∞１２ＯＥ＋０８　口ｌ７ｑＥ＋０８　一　２３９Ｅ＋０８　二］２９８Ｅ＋０８　７－－Ｉ　３５８Ｅ＋０８　＝ｊ　４ｌ７Ｅ＋０８　￡３　４７７Ｅ＋０８　Ｅ馨５３６Ｅ　０８　图６　３０００ｒ／ｍｉｎ有油压时的等效应力分布　ＮＯＤＡＩ．Ｓ０ＬＬ　ｉｆ）Ｎ　ＳＴＥＰＭ－　ＳＵＢ；１　ＴＩＭＥ＝４　ＳＭＮ－．９３９３０　ＳＭＸ＝８５ｌＥ＋０８　９３９３０　ｍｍｍ　９＝５４Ｅ＋ｏ７　ｌ９０Ｅ＋Ｏ￣　口２８４Ｅ＋０８　［　３７９Ｅ　０８　［　４７３Ｅ＋０８　口５６８Ｅ　０８　口　６６２Ｅ＋０８　日７５７Ｅ＋０８　ｍ　８５ｌＥ＋０８　图７　３６００ｒ／ｍｉｎ无油压时的等效应力分布　ＮＯＤＡＬ　Ｓ０ＬＵＨＯＮ　Ｐ＝１　ｓｕＢ－ｌ　Ｔ　ＩＥ－Ｉ　ＳＭＮ＝１６４８２７　ＳＭＸ＝Ｊ６３Ｅ＋０８　１６４８２７　ｍｍｍ　８６３Ｅ＋ｏ７　口　１７ｌＥ＋０８　￡１口］２５６Ｅ＋０８　３４０Ｅ＋０８　口４２５Ｅ＋０８　ｅ＝＝１　５（陇＋０８　口５９４Ｅ＋０８　口６７９Ｅ＋０８　ｍｍｍ　７６３Ｅ＋０８　图８　３６００ｒ／ｒａｉｎ有油压时的等效应力分布　ＮＯＤＡＬ　ＳＯＬＵＴＩＯＮ　ＥＰ＝３　ＳＩ　Ｂ＝ｌ　Ｔ蹦Ｅ＝３　ＵＳＵＭ　ＲＳＹＳ　Ｉ　Ｐｏｗｅ￣，ｒａｎｈｉｃｓ　ＥＦＡＣＥｌ＂ｌ　ＡＶＲＥＳ＝Ｍａｔ　ＤＭＸ＝２Ｏ５Ｅ　ＳＭＸ＝２０５Ｅ　０　＿２２８Ｅ一０５　翻４．５６Ｅ—Ｏ５　－Ｔ３　６８４Ｅ一０６　口９１３Ｅ－ｏ５　¨４Ｅ－０４　蜀１３７Ｂ　　Ｉ１６０Ｅ一０４　１８３Ｅ　ｌａｒｉ　２Ｏ５Ｅ一０４　图９　３０００ｒ／ｍｉｎ无油压时的总变形　ＮＯＤＡＬ　５（）ＬＵＨ０Ｎ　ＥＰ　１　ｓＬ　Ｂ＝１　ＴＢＩＥ－ｌ　ＵＳＵＭ　ＲＳＹＳ＝ｌ　ＰｏｗｅｒＧｒａＤｈｉｃｓ　ＥＦＡＣＥＴ　ｌ　ＡＶＲＥｓ＝Ｍａｔ　ＤＭＸ－１５３Ｅ一（　ＳＭｘ＿１５３一（　０　ｉｉｍ　１∞Ｅ一舾　３３９Ｅ—ｎ５　口５０８Ｅ一０５　口６７８Ｅ一０５　【　８４７Ｅ—０５　口ｌ０２Ｅ—．０４　口１１９Ｅ－０４　囝１３￡Ｅ—０４　ｉｍ　ｌ５３Ｅ—０４　图１０　３０００ｒ／ｍｉｎ有油压时的总变形　ＮＯＤＡＬｓ０ＬＬ丌ｒ【０Ｎ　ＥＰ＝４　叫Ｂ＝ｌ　删Ｅ－４　ＵＳＵＭ　（ＡＶＧ１　ＲＳＹＳｌ　Ｐｏｗｅ　ｒ，Ｇｒｇｔ￣ｈｉ　ⅡＡｌ　ｌＡＶＲＥｓ＝，Ｍａｔ　ＤＭＸ＝２９６　０４　ＳＭＸ＝２　—．０４　０　ｍｍｍ　３２９Ｅ—Ｏ５　６５７Ｅ—０５　口９　—．０５　口１３ｌＢ　口ｌ６４Ｅ—ｏ４　口ｌｑ７Ｅ－－０４　口２３０Ｅ－０４　口２６３Ｅ—０４　ｍｍｍ　２９６Ｂｍ　图１　１　３６００ｒ／ｍｉｎ无油压时的总变形　Ｎ０ＤＡＬＳ０ＬＵＩｌｌｆ）Ｎ　匝Ｐ＝ｌ　ＳＵＢ－－ｌ　ＴＩ．ＭＥ＝１　ＵＳＵＭ　（ＡＶＧ）　ＲＳＹＳ－Ｉ　Ｐｏｗ．￣＇Ｇ　ｒｇ　＃ａ‘　“ｌＡＶＲＥｓ＝Ｍａｔ　ＤＭＸ－．２００Ｅ－９４　ＳＭＸ＝２００Ｅ　０　＿２２２Ｅ＿０５　ＥＩ４龇—０５　口６６６Ｅ—Ｏ５　口麟Ｅ—０５　口¨ｌＥ—０４　口．１　．．０４　口ｌ５　５ｌ　—Ｏ４　口ｌ７８Ｅ．．０４　Ｕ＿刎０Ｅ—ｏ４　图１２　３６００ｒ／ｒａｉｎ有油压时的总变形　（下转１７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第３期　孔凡国等：造纸水分测试数据采集和处理系统设计与实现　１７　参考文　献　化装置，２００４（１）：７．　『１］姚竞红，严国祥．达芬奇在线自动监挖系统在造纸生活中的　［６］林国栋．粮食水分在线检测控制系统的研究［Ｄ］．沈阳：沈　应用『Ｊ］．电工技术杂志，２００３（２）：６６．　阳工业大学硕士学位论文，２００３．　［２］姚竞红，严国祥．在线自动检测控制的达芬奇系统［Ｊ］．中　［７］郭丽．水松纸透气度在线检测系统研究［Ｄ］．昆明：昆明　国设备工程，２００３（２）：４７．　理工大学硕士学位论文，２００２．　『３］梁泽，周晋安，杨昆霞．定量一水分误差及现场环境对其测　［８］蔡铁．粮食烘干塔水分在线检测系统中的实时信息采集　量精度的影响［Ｊ］．中华纸业，１９９８（２）：５６．　与处理［Ｊ］．自动化与仪表，２００１，１６（５）：４７－５０．　［４］周强，王曙光，王孟效．造纸生产线测控系统的干扰及抗　［９］滕召胜．粮食温度水分自动测试系统设计［Ｊ］．工业仪表与　干扰措施［Ｊ］．中华纸业，２００４（１０）：２４．　自动化装置，２０００（１）：３９４２　［５］熊幸明．ＰＬＣ控制系统的抗干扰研究［Ｊ］．工业仪表与自动　（编校：夏书林）　（上接ｌ４页）　地方都有较尖锐的交接角，易产生应力集中，　因　１．４数据分析　此在将来进行结构优化时应首先考虑对这些地方进　首先对比两种转速工况下的应力及变形。由图　行改进。　５—１２看出叶轮在３　６００　ｒ／ｍｉｎ时的应力及变形均　２　结束语　大于３　０００　ｒ／ｍｉｎ时的应力及变形，且最大应力及变　与传统方法相比，用有限元法进行结构分析有　形出现的部位没有发生改变。可以分析得出，这是　由于叶轮在３　６００　ｒ／ｍｉｎ时的惯性力大于３　０００　ｒ／　很多优点。用传统方法对叶轮这样具有复杂形状的　ｍｉｎ时的惯性力，由于惯性力的作用使叶轮在３　６００　部件进行强度计算时，只能采用简化和近似的方法，　ｒ／ｍｉｎ时各处的应力及变形大于在３　０００　ｒ／ｍｉｎ时的　尤其是对如叶片头部和盖板交接处这样的细微部分　应力及变形。　是很难进行精确计算的。另外，由于作用在叶轮上　其次对比在加载油压前和加载油压后的应力及　的油的压力分布极不平均而难以用简单的数学表达　变形情况。由图５—１２可以看出在加载油压后，叶　式表示，因此要使用传统方法来评估油压力对叶轮　部分区域的应力及变形小于加载油压前的应力　应力和变形的影响就更加困难了。而使用有限元法　及变形，只是在叶片头部等少数地方有加载油压后　应用ＡＮＳＹＳ软件来分析叶轮强度，上述问题就都可　以迎刃而解了。因此，通过对叶轮的结构静力学分　的应力及变形大于加载前的应力及变形。这种情况　的出现是由于作用在叶轮的惯性力的方向是沿径向　析也可以为象叶轮这样具有复杂形状的叶片式旋转　机械的结构分析提供一种新的方法。　向外、沿周向与叶轮旋转方向相同；而作用在叶片压　力面的压力大于吸力面的压力（压力的方向都是沿　法向指向叶面），其合力是沿径向向内、沿周向与叶　参考文献　［１］龚曙光，谢桂兰．ＡＮＳＹＳ操作命令与参数化编程［Ｍ］．北　轮旋转方向相反，由此产生了与惯性力矩相反的力　京：机械工业出版社，２００４．　矩，所以叶部分区域在加载油压后的应力及变　［２］胡风兰，谭季秋，高文举．基于ＡＮＳＹＳ的叶片泵有限元分　形小于加载油压前的应力及变形。但在叶片头部的　析［Ｊ］．ＣＡＤ／ＣＡＭ与制造业信息化，２００７（５）：８４—８６．　油压是沿径向向外，与离心力的方向相同，因此这里　［３］徐纪方，王增旋，齐学义．水力机械强度计算［Ｍ］．北京：机　的应力及变形与加载油压前的比会变大。　械工业出版社，１９９０．　［４］关醒凡，姚兆生．泵零件强度计算［Ｍ］．北京：机械工业出　主油泵主要工作在３　０００　ｒ／ｍｉｎ的工况下。从　版社，１９８４．　计算结果看，叶轮在３　６００　ｒ／ｍｉｎ（超速１２０％）有油　［５］武思宇，罗伟．ＡＮＳＹＳ工程计算应用教程［Ｍ］．北京：中　压的计算工况下的最大等效应力为７６．３　ＭＰａ，是叶　国铁道出版社，２００４．　轮实际工作时的最大等效应力，叶轮所用材料的屈　［６］王云平．乳化液泵曲轴结构的有限元优化设计［Ｊ］．煤矿　服强度为１２０　ＭＰａ。可计算出安全系数为１．５７，符　机械，２００７，２８（４）：．２５—２６．　（编校：李晓丽）　合强度要求。另外，应力集中点都发生在叶片头部　与内盖板交接处和内盖板外缘与叶片交接处，这些