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基于流固耦合的竖井贯流泵转子结构力学分析

沈家伟  
【摘要】:我国南水北调工程极大缓解了南北方水资源空间时间分布不平衡的问题,东线一期工程在江苏境内的新建泵站中有12座选用了轴流泵机组,这其中有7座选用了贯流式机组结构。竖井贯流式泵装置更是因为其结构简单、开挖深度和平面尺寸都较小,便于管理维护、实现双向抽水等优点,在大中型特低扬程泵站中被广泛应用。但近年来,泵站运行中偶尔会发生叶片出现裂纹甚至断裂的事故,严重危害了泵站的安全运行。其主要原因是转子结构设计存在缺陷,转子在受到流场作用力后,由于刚强度不足或发生共振等原因,最终出现疲劳破坏。因此,采用流固耦合数值模拟的方法对泵转子结构进行力学分析,对于优化泵装置设计、确保泵站安全运行具有十分重要的意义。本文以两种叶轮叶片厚度的竖井贯流泵装置转子为研究对象,应用ANSYS对其进行基于流固耦合的静力和动力学分析,主要工作有:(1)基于表征叶轮第一层网格到壁面整体高度的面积平均的y+值,生成7种叶轮结构网格方案,分别匹配标准k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型,利用CFX对模型装置的内流场进行稳态模拟。通过对比分析数值模拟与模型试验结果之间的相对误差,探究叶轮近壁面网格与不同湍流模型对竖井贯流泵装置外特性数值计算结果的精度影响。(2)基于SST k-ω模型与全流场的结构化网格,利用CFX模拟不同叶片安放角、不同流量时泵装置的内流场,借助模型试验判断模拟可靠性。分析了稳态不同流量下叶片压力分布,稳态叶轮轴向力和流量、扬程、叶片安放角间的关系,瞬时周期性叶轮轴向力的频域特性,并以此结果作为转子结构力学分析的前提条件。(3)基于流场稳态模拟和单向流固耦合法,利用Workbench中CFX-Static Structural模块分析转子结构静力特性。分析了转子结构的变形分布、最大变形与流量间的关系及叶片安放角的影响,转子结构的等效应力分布、最大等效应力与流量间的关系及叶片安放角的影响,并对结构进行强度校核。(4)基于转子静力学分析和单向流固耦合法,利用Workbench中 Static Structural-Modal模块分析转子结构动力特性。分别模拟了转子结构在空气中的固有模态、预应力下的模态和水中的模态,分析了边界条件对各阶模态频率的影响、叶片安放角对模态频率的影响、泵机组特征频率与水力激振力的关系,并对结构进行共振分析。通过本研究,希望对其它研究流体机械结构以及涉及流固耦合问题的工程提供一定的借鉴。


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