[發明專利]一種水泵葉片疲勞壽命預測及其與導葉最優間距確定方法

有效

• 申請號: 201810081417.3
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108108577B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 仇寶云;曹金玉;黃先北;郭嬙;湯黎明;許夢凡;薛成龍;張偲;劉地
• 申請（專利權）人: 揚州大學
• 主分類號: F04D15/00
• 分類號: F04D15/00;G06F30/17;G06F119/04
• 代理公司: 揚州蘇中專利事務所(普通合伙) 32222
• 代理人: 沈志海

1.一種水泵葉片疲勞壽命預測及其與導葉最優間距確定方法，其特征在于，包括如下操作步驟：

A.水泵葉片疲勞斷裂危險截面與危險點確定；

B.水泵運行范圍內計算工況確定；

C.水泵流場計算區域三維建模與網格劃分；

D.水泵流場數值模擬與不同工況葉片表面水壓力計算；

E.水泵葉片根部截面危險點交變應力計算；

F.水泵不同工況葉片疲勞壽命計算確定；

G.水泵葉片與導葉不同間距時的葉片危險點交變應力與疲勞壽命計算確定；

H.水泵葉片與導葉最優間距綜合確定；

步驟A中所述的水泵葉片疲勞斷裂危險截面與危險點確定方法如下：

設立式軸流泵葉片根部截面，A-B為上邊緣，C-D為下邊緣，左側A-D為進水側，右側B-C為出水側；水泵運行時，葉片同時受到軸向水壓力、周向水阻力和徑向離心力的作用；軸向水壓力使葉片在泵軸所在平面內彎曲，葉片根部截面承受最大彎矩和最大剪力，根部截面上邊緣有最大拉應力，下邊緣有最大壓應力；周向水阻力使葉片在垂直于泵軸的平面內彎曲，根部截面進水側邊緣有最大拉應力，出水側邊緣有最大壓應力，徑向離心力在葉片根部全截面上產生均勻的拉應力；

從靜力角度分析，葉片根部截面與輪轂連接處上邊緣進水側A點受拉應力疊加，所受應力最大，而且該處容易應力集中，因此，A點為根部危險點；

從動力角度分析，由于受導葉的干擾，葉片出口側壓力脈動較大，在葉片根部截面出水側上邊緣B點產生最大的交變應力，此處同時也是正應力較大的點和應力集中點，因此容易發生疲勞破壞，是危險點之一；

同樣，葉片根部截面進水側A點，是最大靜應力點，同樣產生交變應力，只是交變應力值較出水側B點小；

步驟B中所述的水泵運行范圍內計算工況確定方法如下：在泵裝置運行揚程范圍內，選定等間距的m個揚程，m＝5～10，其中包括泵裝置最小運行揚程H_min、泵裝置設計揚程H_d和泵裝置最大運行揚程H_max，揚程間隔為即m個運行揚程為：H₁＝H_min，H₂＝H_min+ΔH，…，H_d，…，H_m-1＝H_max-ΔH，H_m＝H_max；在水泵運行葉片角度范圍內，將葉片角按一定間隔選定n個角度，n＝5～10，其中包括最小運行葉片角α_min、設計葉片角α_d和最大運行葉片角α_max，即α₁＝α_min，α₂，…，α_d，…，α_n-1，α_n＝α_max，因此，確定全部m×n個計算工況；

步驟C中所述的水泵流場計算區域三維建模與網格劃分確定方法如下：確定水泵流場計算區域，包括長度為葉輪直徑1倍左右的葉輪前直段、葉輪段、導葉段、長度為葉輪直徑1～2倍的出口直段，應用Gambit軟件進行前后延伸段水體的建模與網格劃分，應用TurboGrid軟件進行葉輪與導葉水體建模和網格劃分，分別對α₁,α₂，…，α_d，…，α_n-1，α_n共n個葉輪葉片角的水泵流場計算區域進行三維建模和網格劃分；

步驟D中所述水泵流場數值模擬與不同工況葉片表面水壓力計算確定方法如下：

運用CFX流體計算軟件對步驟B中的m×n個工況的水泵流場計算區域的流動進行數值模擬，得到各工況下葉片轉至與導葉4～10個不同相對位置時葉片水壓力分布，用于步驟E和步驟F計算葉片交變應力和疲勞壽命；

由于葉片與導葉的動靜干擾，葉片到達與導葉不同相對位置時，導葉對葉片葉槽出流的阻礙作用不同，葉片表面壓力分布發生變化，形成壓力脈動，特別是靠近導葉的葉片出口側壓力脈動較大，該壓力脈動造成葉片的交變應力；

步驟E中所述水泵葉片根部截面危險點交變應力計算的確定方法如下：應用ANSYSWorkbench軟件進行模態分析，應用Pro/E建立葉片實體模型，在靜力分析的模塊中Engineering Data項添加材料及其屬性，將步驟D的流體分析的結果加載到實體模型，通過Static Structural進行靜力分析，得到葉片內應力分布；

在以水泵單個葉片經過兩個相鄰導葉為一個周期T的時間范圍內，選定等間距的k個時間間隔，在不同時刻葉輪葉片和相鄰的導葉前葉片相對位置不同，不同時刻，以葉片與相鄰的導葉前葉片夾角β表示，β＝0～β_max，β_max＝360°/n′，其中，n′為導葉葉片數，包括最早運行時間點夾角β_max和最晚運行時間點夾角β_min＝0，實際上，β_min＝0與β＝β_max情況相同，又回到了新周期的起點；時間間隔為即k個時間節點葉輪葉片與導葉葉片在葉輪平面內的圓心角夾角為：β₁＝β_max，β₂＝β_max-Δβ，…，β_k-1＝Δβ，β_k＝β_min＝0；因此，對任一葉片，計算該葉片轉過相鄰兩導葉葉片過程中的k個不同位置時葉片根部截面危險點A點和B點的應力，即得到該葉片危險點的交變應力，分別選取危險點交變應力的最小值σ_min和最大值σ_max，用式(1)計算確定水泵不同工況下葉片危險點應力循環特征r為

此處應力循環特征0r1；

步驟F中所述的水泵不同工況葉片疲勞壽命計算確定是根據材料的S-N應力-壽命曲線，展示出應力幅值與失效循環次數的關系，通過Static Structural軟件中的FatigueTool模塊參數設置，考慮在最大應力值σ_max和最小應力值σ_min作用下的比例載荷、恒定振幅的情況，計算確定水泵不同工況葉片疲勞壽命，即計算出水泵能夠安全運行的葉片與導葉動靜干擾的極限循環次數N；

步驟G中所述的水泵葉片與導葉不同間距時的葉片危險點交變應力與疲勞壽命計算確定是在設計工況下，在通常的葉片與導葉間距上下一定范圍內，取s個不同間距，間距從小到大依次為l₁，l₂，…，l_s-1，l_s；隨著葉片與導葉間距的增加，葉片疲勞壽命延長；

步驟H中所述的水泵葉片與導葉最優間距綜合確定是將步驟G中計算的葉片與導葉不同間距的葉片壓力脈動極限循環次數壽命換算成運行小時數T_b；再應用CFX流體計算軟件計算出步驟G中相同工況下葉片與導葉不同間距時的水泵效率；

葉輪葉片出口邊與后導葉進口邊的間距減小，導致葉片根部兩側的葉片平均應力和壓力脈動增大，會降低葉片疲勞耐久性，葉輪葉片出口邊與后導葉進口邊的間距適當增大，可以分別減小葉片根部兩側的平均應力和壓力脈動，提高葉片疲勞耐久性，但葉片與后導葉間距過大，會影響葉輪出流旋轉動能及時轉化為壓能，增大水力損失；因此，存在葉片與導葉最優間距，在保證水泵效率前提下，使葉片疲勞耐久性最高；

在一定時段內，水泵有m×n種運行工況，第i工況葉片疲勞壽命為T_bi，運行時間所占權重為則葉片綜合運行疲勞壽命為

式中：T_bz—葉片綜合運行疲勞壽命，其中，

考慮葉片與導葉不同間距時的葉片疲勞壽命和水泵效率的差異，葉片疲勞壽命、泵裝置效率分別是葉片與導葉間距的函數，即

T_bz＝T_bz(l) (3)

η_p＝η_p(l) (4)

式中：η_p—水泵效率；l—葉片與導葉間距；

葉片疲勞斷裂檢修更換需要費用，水泵效率低需要更多的運行費用，在水泵葉片與導葉原間距設計使用年限T_life內，以水泵機組運行費用與葉片疲勞斷裂檢修更換費用之和F最小為目標，建立目標函數，即

式中：ρ—水體密度；g—重力加速度；η_g，η_t，η_m—分別為泵裝置的管道效率、泵機組傳動效率和電機效率，均為常量；Q(l)—葉片導葉間距為l時水泵設計工況流量；Q₀—原葉片與導葉間距時水泵設計工況流量；H—泵裝置揚程；f_e—電價；f_r—葉片疲勞斷裂1次所需的更換檢修費用；—水泵折引使用年限，即為了考慮水泵葉片導葉間距改變后，相同工況下與間距改變前水泵在設計使用年限T_life內抽引相同體積水體的所需運行時間；

在水泵軸向長度合理的前提下，當式(5)取最小值時，求得到葉片與導葉的最優間距l_opt，此時，水泵既具有較好的葉片疲勞耐久性能，又具有良好的能量效率性能。