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轴流泵叶片应力与模态分析

徐建国  
【摘要】: 随着国民经济的发展,尤其是南水北调工程的上马,国家需要兴建一批大型的泵站用于调水,轴流泵由于具备流量大扬程低的特点,在南水北调东线工程中被广泛采用。然而近年来,在泵站运行中有时会出现水泵叶片出现裂纹甚至断裂的事故,对国民经济造成不必要的损失。尤其对于大型泵站来讲,其造成的后果更为严重。 叶片的断裂主要是由于水泵在运行过程中叶片受到的激振力引起的疲劳破坏或者是共振引起的共振破坏。因此,采用数值模拟技术在水泵设计阶段准确计算水泵叶片的动静态特性参数,对于改进叶片设计、实现水泵安全运行具有十分重要的意义。模态分析用于确定设计结构或部件的振动特性,即结构的固有频率和振型,它们是承受动荷载结构设计的重要参数。 本文以轴流式水泵叶轮为研究对象给出了叶轮模态分析的数学模型,并介绍了循环对称模态分析方法。在Pro/E中完成了叶轮模型的建立,然后将其导入ANSYS中进行网格划分。通过ANSYS自带的APDL语言完成了叶片水压力的加载。计算了叶片受到不同工况水压力作用下的应力分布情况。发现叶片根部两侧存在明显的集中应力,叶片最大应力出现在水泵叶片根部的进水侧,最大位移出现在叶片的外缘。分别计算了轴流泵模型叶轮在空气中的固有模态以及在受到离心力作用后的预应力模态。计算结果表明:离心力会增加叶轮的固有频率,但增加的幅度非常小,可以忽略不计;完成了叶轮在空气中的固有频率的测试,测试结果表明数值计算结果是可信的;通过对原型泵叶轮的模态分析,发现固有频率与叶频的关系与模型泵叶轮相似,说明通过模型泵叶轮的模态分析可预测原型泵的工作状况。研究成果对提高水泵设计和运行的可靠性具有指导意义。


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