[发明专利]一种水泵叶片疲劳寿命预测及其与导叶最优间距确定方法

说明书

一种水泵叶片疲劳寿命预测及其与导叶最优间距确定方法，属于动力机械设备可靠耐久性技术领域，包括水泵叶片疲劳断裂危险截面与危险点确定，水泵不同工况内流场数值模拟与叶片表面脉动水压力分布CFD计算，水泵叶片根部截面危险点交变应力计算，水泵不同工况叶片疲劳寿命计算，水泵叶片与导叶不同间距时的叶片危险点交变应力与疲劳寿命计算，综合考虑水泵设备使用寿命期内叶片疲劳断裂的更换拆装检修费用、间距变化引起水泵效率变化对运行费用的影响、水泵轴向尺寸对安装布置的影响，最后确定叶片与导叶最优间距。本发明能准确预测轴流泵和导叶式混流泵叶片疲劳寿命，优化叶片与导叶间距，提高叶片疲劳耐久性。

技术领域

本发明属于动力机械设备可靠耐久性技术领域，涉及一种针对可调节轴流泵和导叶式混流泵全运行工况的叶片疲劳寿命预测及其与导叶最优间距确定方法，具体的说是水泵在不同扬程、不同叶片角度运行时由于与导叶的动静干涉的叶片疲劳断裂寿命的预测计算，综合考虑叶片疲劳断裂寿命、水泵能量性能及水泵轴向尺寸，确定叶片与导叶最优间距的方法。

背景技术

轴流泵与导叶式混流泵具有高比转速、大流量、低扬程的特点，主要应用于农业灌溉排涝、排污、调水、火力发电厂及核电的冷却循环用水等领域，叶轮叶片是水泵能量转换的核心部件，为满足运行需要，叶片安装角度可调节，叶片依靠根部的叶片轴插入叶轮轮毂进行固定，为悬臂式结构，水泵运行时，由于叶片出口附近不远处导叶的动静干涉作用，在叶片表面产生压力脉动，叶片在较大的应力水平下产生交变应力，在实际生产中，常发生水泵叶片出现裂纹，甚至出现断裂的严重事故，叶片寿命远远低于其额定寿命，导致经常发生疲劳断裂事故，影响水泵的正常运行和功能发挥。因此，急需一种既能保证水泵叶片有较好的疲劳耐久性能和能量性能，又能保证结构合理的方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述水泵经常出现的叶片实际疲劳寿命低于设计寿命的叶片疲劳断裂，提出一种叶片疲劳断裂寿命预测及其与导叶最优间距的确定方法，通过采用计算流体动力学—CFD流场计算软件计算叶轮叶片表面脉动压力，应用ANSYS Workbench软件进行模态分析，通过Static Structural进行静力分析，得到叶片根部交变应力，计算叶片疲劳寿命。在水泵实际运行范围内计算不同工况叶片疲劳寿命，着重计算设计扬程下叶片与导叶不同间距、不同运行角度的叶片疲劳寿命，综合考虑叶片疲劳断裂寿命、水泵效率能量性能及水泵轴向尺寸，确定叶片与导叶最优间距，提高叶片疲劳耐久性。

本发明的技术方案是：一种水泵叶片疲劳寿命预测及其与导叶最优间距确定方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

A.水泵叶片疲劳断裂危险截面与危险点确定；

B.水泵运行范围内计算工况确定；

C.水泵流场计算区域三维建模与网格划分；

D.水泵流场数值模拟与不同工况叶片表面水压力计算；

E.水泵叶片根部截面危险点交变应力计算；

F.水泵不同工况叶片疲劳寿命计算确定；

G.水泵叶片与导叶不同间距时的叶片危险点交变应力与疲劳寿命计算确定；

H.水泵叶片与导叶最优间距综合确定。

步骤A中所述的水泵叶片疲劳断裂危险截面与危险点确定方法如下：

如图1所示的立式轴流泵叶片根部截面，A-B为上边缘，C-D为下边缘，A-D为进水侧，B-C为出水侧。图1(a)为轴向水压力引起的弯曲正应力分布，图1(b)为周向水阻力引起的弯曲正应力分布。水泵运行时，叶片同时受到轴向水压力、周向水阻力和径向离心力的作用。轴向水压力使叶片在泵轴所在平面内弯曲，叶片根部截面承受最大弯矩和最大剪力，根部截面上边缘有最大拉应力，下边缘有最大压应力；周向水阻力使叶片在垂直于泵轴的平面内弯曲，根部截面进水侧边缘有最大拉应力，出水侧边缘有最大压应力。径向离心力在叶片根部全截面上产生均匀的拉应力。