[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

权利要求书

1.一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：

设立式轴流泵叶片根部截面，A-B为上边缘，C-D为下边缘，左侧A-D为进水侧，右侧B-C为出水侧；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；

从静力角度分析，叶片根部截面与轮毂连接处上边缘进水侧A点受拉应力叠加，所受应力最大，而且该处容易应力集中，因此，A点为根部危险点；

从动力角度分析，由于受导叶的干扰，叶片出口侧压力脉动较大，在叶片根部截面出水侧上边缘B点产生最大的交变应力，此处同时也是正应力较大的点和应力集中点，因此容易发生疲劳破坏，是危险点之一；

同样，叶片根部截面进水侧A点，是最大静应力点，同样产生交变应力，只是交变应力值较出水侧B点小；

步骤B中所述的水泵运行范围内计算工况确定方法如下：在泵装置运行扬程范围内，选定等间距的m个扬程，m＝5～10，其中包括泵装置最小运行扬程H_min、泵装置设计扬程H_d和泵装置最大运行扬程H_max，扬程间隔为即m个运行扬程为：H₁＝H_min，H₂＝H_min+ΔH，…，H_d，…，H_m-1＝H_max-ΔH，H_m＝H_max；在水泵运行叶片角度范围内，将叶片角按一定间隔选定n个角度，n＝5～10，其中包括最小运行叶片角α_min、设计叶片角α_d和最大运行叶片角α_max，即α₁＝α_min，α₂，…，α_d，…，α_n-1，α_n＝α_max，因此，确定全部m×n个计算工况；

步骤C中所述的水泵流场计算区域三维建模与网格划分确定方法如下：确定水泵流场计算区域，包括长度为叶轮直径1倍左右的叶轮前直段、叶轮段、导叶段、长度为叶轮直径1～2倍的出口直段，应用Gambit软件进行前后延伸段水体的建模与网格划分，应用TurboGrid软件进行叶轮与导叶水体建模和网格划分，分别对α₁,α₂，…，α_d，…，α_n-1，α_n共n个叶轮叶片角的水泵流场计算区域进行三维建模和网格划分；

步骤D中所述水泵流场数值模拟与不同工况叶片表面水压力计算确定方法如下：

运用CFX流体计算软件对步骤B中的m×n个工况的水泵流场计算区域的流动进行数值模拟，得到各工况下叶片转至与导叶4～10个不同相对位置时叶片水压力分布，用于步骤E和步骤F计算叶片交变应力和疲劳寿命；

由于叶片与导叶的动静干扰，叶片到达与导叶不同相对位置时，导叶对叶片叶槽出流的阻碍作用不同，叶片表面压力分布发生变化，形成压力脉动，特别是靠近导叶的叶片出口侧压力脉动较大，该压力脉动造成叶片的交变应力；

步骤E中所述水泵叶片根部截面危险点交变应力计算的确定方法如下：应用ANSYSWorkbench软件进行模态分析，应用Pro/E建立叶片实体模型，在静力分析的模块中Engineering Data项添加材料及其属性，将步骤D的流体分析的结果加载到实体模型，通过Static Structural进行静力分析，得到叶片内应力分布；

在以水泵单个叶片经过两个相邻导叶为一个周期T的时间范围内，选定等间距的k个时间间隔，在不同时刻叶轮叶片和相邻的导叶前叶片相对位置不同，不同时刻，以叶片与相邻的导叶前叶片夹角β表示，β＝0～β_max，β_max＝360°/n′，其中，n′为导叶叶片数，包括最早运行时间点夹角β_max和最晚运行时间点夹角β_min＝0，实际上，β_min＝0与β＝β_max情况相同，又回到了新周期的起点；时间间隔为即k个时间节点叶轮叶片与导叶叶片在叶轮平面内的圆心角夹角为：β₁＝β_max，β₂＝β_max-Δβ，…，β_k-1＝Δβ，β_k＝β_min＝0；因此，对任一叶片，计算该叶片转过相邻两导叶叶片过程中的k个不同位置时叶片根部截面危险点A点和B点的应力，即得到该叶片危险点的交变应力，分别选取危险点交变应力的最小值σ_min和最大值σ_max，用式(1)计算确定水泵不同工况下叶片危险点应力循环特征r为

此处应力循环特征0r1；

步骤F中所述的水泵不同工况叶片疲劳寿命计算确定是根据材料的S-N应力-寿命曲线，展示出应力幅值与失效循环次数的关系，通过Static Structural软件中的FatigueTool模块参数设置，考虑在最大应力值σ_max和最小应力值σ_min作用下的比例载荷、恒定振幅的情况，计算确定水泵不同工况叶片疲劳寿命，即计算出水泵能够安全运行的叶片与导叶动静干扰的极限循环次数N；

步骤G中所述的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是在设计工况下，在通常的叶片与导叶间距上下一定范围内，取s个不同间距，间距从小到大依次为l₁，l₂，…，l_s-1，l_s；随着叶片与导叶间距的增加，叶片疲劳寿命延长；

步骤H中所述的水泵叶片与导叶最优间距综合确定是将步骤G中计算的叶片与导叶不同间距的叶片压力脉动极限循环次数寿命换算成运行小时数T_b；再应用CFX流体计算软件计算出步骤G中相同工况下叶片与导叶不同间距时的水泵效率；

叶轮叶片出口边与后导叶进口边的间距减小，导致叶片根部两侧的叶片平均应力和压力脉动增大，会降低叶片疲劳耐久性，叶轮叶片出口边与后导叶进口边的间距适当增大，可以分别减小叶片根部两侧的平均应力和压力脉动，提高叶片疲劳耐久性，但叶片与后导叶间距过大，会影响叶轮出流旋转动能及时转化为压能，增大水力损失；因此，存在叶片与导叶最优间距，在保证水泵效率前提下，使叶片疲劳耐久性最高；

在一定时段内，水泵有m×n种运行工况，第i工况叶片疲劳寿命为T_bi，运行时间所占权重为则叶片综合运行疲劳寿命为

式中：T_bz—叶片综合运行疲劳寿命，其中，

考虑叶片与导叶不同间距时的叶片疲劳寿命和水泵效率的差异，叶片疲劳寿命、泵装置效率分别是叶片与导叶间距的函数，即

T_bz＝T_bz(l) (3)

η_p＝η_p(l) (4)

式中：η_p—水泵效率；l—叶片与导叶间距；

叶片疲劳断裂检修更换需要费用，水泵效率低需要更多的运行费用，在水泵叶片与导叶原间距设计使用年限T_life内，以水泵机组运行费用与叶片疲劳断裂检修更换费用之和F最小为目标，建立目标函数，即

式中：ρ—水体密度；g—重力加速度；η_g，η_t，η_m—分别为泵装置的管道效率、泵机组传动效率和电机效率，均为常量；Q(l)—叶片导叶间距为l时水泵设计工况流量；Q₀—原叶片与导叶间距时水泵设计工况流量；H—泵装置扬程；f_e—电价；f_r—叶片疲劳断裂1次所需的更换检修费用；—水泵折引使用年限，即为了考虑水泵叶片导叶间距改变后，相同工况下与间距改变前水泵在设计使用年限T_life内抽引相同体积水体的所需运行时间；

在水泵轴向长度合理的前提下，当式(5)取最小值时，求得到叶片与导叶的最优间距l_opt，此时，水泵既具有较好的叶片疲劳耐久性能，又具有良好的能量效率性能。