[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

摘要

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。

主权项

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：在水泵运行扬程范围内，选定等间距的m个扬程，m＝5～10，其中包括最小运行扬程Hmin和最大运行扬程Hmax，扬程间隔为即m个运行扬程为：H1＝Hmin，H2＝Hmin+ΔH，…，Hd，…，Hm-1＝Hmax-ΔH，Hm＝Hmax；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αmin和最大运行叶片角αmax，即α1＝αmin，α2，…，αd，…，αn-1，αn＝αmax，因此，确定全部m×n个计算工况，用表1表示，表1中，αd为叶片设计角度，Hd为泵装置设计扬程；表1 水泵计算工况流量(单位：m/s3)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，…，αd，…，αn-1，αn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。