[發(fā)明專利]一種水泵葉片疲勞壽命預(yù)測(cè)及其與導(dǎo)葉最優(yōu)間距確定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810081417.3
• 申請(qǐng)日: 2018-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN108108577B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇寶云;曹金玉;黃先北;郭嬙;湯黎明;許夢(mèng)凡;薛成龍;張偲;劉地
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號(hào): F04D15/00
• 分類號(hào): F04D15/00;G06F30/17;G06F119/04
• 代理公司: 揚(yáng)州蘇中專利事務(wù)所(普通合伙) 32222
• 代理人: 沈志海

一種水泵葉片疲勞壽命預(yù)測(cè)及其與導(dǎo)葉最優(yōu)間距確定方法，屬于動(dòng)力機(jī)械設(shè)備可靠耐久性技術(shù)領(lǐng)域，包括水泵葉片疲勞斷裂危險(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn)確定，水泵不同工況內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬與葉片表面脈動(dòng)水壓力分布CFD計(jì)算，水泵葉片根部截面危險(xiǎn)點(diǎn)交變應(yīng)力計(jì)算，水泵不同工況葉片疲勞壽命計(jì)算，水泵葉片與導(dǎo)葉不同間距時(shí)的葉片危險(xiǎn)點(diǎn)交變應(yīng)力與疲勞壽命計(jì)算，綜合考慮水泵設(shè)備使用壽命期內(nèi)葉片疲勞斷裂的更換拆裝檢修費(fèi)用、間距變化引起水泵效率變化對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響、水泵軸向尺寸對(duì)安裝布置的影響，最后確定葉片與導(dǎo)葉最優(yōu)間距。本發(fā)明能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)軸流泵和導(dǎo)葉式混流泵葉片疲勞壽命，優(yōu)化葉片與導(dǎo)葉間距，提高葉片疲勞耐久性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于動(dòng)力機(jī)械設(shè)備可靠耐久性技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種針對(duì)可調(diào)節(jié)軸流泵和導(dǎo)葉式混流泵全運(yùn)行工況的葉片疲勞壽命預(yù)測(cè)及其與導(dǎo)葉最優(yōu)間距確定方法，具體的說是水泵在不同揚(yáng)程、不同葉片角度運(yùn)行時(shí)由于與導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉的葉片疲勞斷裂壽命的預(yù)測(cè)計(jì)算，綜合考慮葉片疲勞斷裂壽命、水泵能量性能及水泵軸向尺寸，確定葉片與導(dǎo)葉最優(yōu)間距的方法。

背景技術(shù)

軸流泵與導(dǎo)葉式混流泵具有高比轉(zhuǎn)速、大流量、低揚(yáng)程的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉排澇、排污、調(diào)水、火力發(fā)電廠及核電的冷卻循環(huán)用水等領(lǐng)域，葉輪葉片是水泵能量轉(zhuǎn)換的核心部件，為滿足運(yùn)行需要，葉片安裝角度可調(diào)節(jié)，葉片依靠根部的葉片軸插入葉輪輪轂進(jìn)行固定，為懸臂式結(jié)構(gòu)，水泵運(yùn)行時(shí)，由于葉片出口附近不遠(yuǎn)處導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉作用，在葉片表面產(chǎn)生壓力脈動(dòng)，葉片在較大的應(yīng)力水平下產(chǎn)生交變應(yīng)力，在實(shí)際生產(chǎn)中，常發(fā)生水泵葉片出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)斷裂的嚴(yán)重事故，葉片壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其額定壽命，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生疲勞斷裂事故，影響水泵的正常運(yùn)行和功能發(fā)揮。因此，急需一種既能保證水泵葉片有較好的疲勞耐久性能和能量性能，又能保證結(jié)構(gòu)合理的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)上述水泵經(jīng)常出現(xiàn)的葉片實(shí)際疲勞壽命低于設(shè)計(jì)壽命的葉片疲勞斷裂，提出一種葉片疲勞斷裂壽命預(yù)測(cè)及其與導(dǎo)葉最優(yōu)間距的確定方法，通過采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)—CFD流場(chǎng)計(jì)算軟件計(jì)算葉輪葉片表面脈動(dòng)壓力，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行模態(tài)分析，通過Static Structural進(jìn)行靜力分析，得到葉片根部交變應(yīng)力，計(jì)算葉片疲勞壽命。在水泵實(shí)際運(yùn)行范圍內(nèi)計(jì)算不同工況葉片疲勞壽命，著重計(jì)算設(shè)計(jì)揚(yáng)程下葉片與導(dǎo)葉不同間距、不同運(yùn)行角度的葉片疲勞壽命，綜合考慮葉片疲勞斷裂壽命、水泵效率能量性能及水泵軸向尺寸，確定葉片與導(dǎo)葉最優(yōu)間距，提高葉片疲勞耐久性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種水泵葉片疲勞壽命預(yù)測(cè)及其與導(dǎo)葉最優(yōu)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(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn)確定；

B.水泵運(yùn)行范圍內(nèi)計(jì)算工況確定；

C.水泵流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域三維建模與網(wǎng)格劃分；

D.水泵流場(chǎng)數(shù)值模擬與不同工況葉片表面水壓力計(jì)算；

E.水泵葉片根部截面危險(xiǎn)點(diǎn)交變應(yīng)力計(jì)算；

F.水泵不同工況葉片疲勞壽命計(jì)算確定；

G.水泵葉片與導(dǎo)葉不同間距時(shí)的葉片危險(xiǎn)點(diǎn)交變應(yīng)力與疲勞壽命計(jì)算確定；

H.水泵葉片與導(dǎo)葉最優(yōu)間距綜合確定。

步驟A中所述的水泵葉片疲勞斷裂危險(xiǎn)截面與危險(xiǎn)點(diǎn)確定方法如下：

如圖1所示的立式軸流泵葉片根部截面，A-B為上邊緣，C-D為下邊緣，A-D為進(jìn)水側(cè)，B-C為出水側(cè)。圖1(a)為軸向水壓力引起的彎曲正應(yīng)力分布，圖1(b)為周向水阻力引起的彎曲正應(yīng)力分布。水泵運(yùn)行時(shí)，葉片同時(shí)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(nèi)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(yīng)力，下邊緣有最大壓應(yīng)力；周向水阻力使葉片在垂直于泵軸的平面內(nèi)彎曲，根部截面進(jìn)水側(cè)邊緣有最大拉應(yīng)力，出水側(cè)邊緣有最大壓應(yīng)力。徑向離心力在葉片根部全截面上產(chǎn)生均勻的拉應(yīng)力。