摘要
本研究来源于“引江济淮国家重点工程-西淝河北站水泵装置特性研究”项目。引江济淮工程包括引江济巢、江淮沟通、江水北送三个部分，为沿线城乡供水，发展航运，其中西淝河北站是引江济淮送水工程的重要组成部分。近年来，因转子结构设计不完善，转子在高负荷下强度不足或发生共振现象引发大型水泵叶片、泵轴出现裂纹甚至断裂的事故屡见不鲜，严重影响着泵站安全稳定运行。为此，本文以引江济淮西淝河北站为研究对象，基于流固耦合数模分析，研究其水泵转子结构力学特性，为西淝河北站结构优化设计，安全运行提供理论依据，同时对类似大型立式轴流泵装置结构力学分析提供重要参考。 本文基于流固耦合理论和数值模拟方法，研究了西淝河北站水泵叶片、轮毂及泵轴构成的转子结构静力学特性和动力学特性，并分析了不同叶片厚度的转子结构力学表现。主要研究工作及成果如下: (1)基于CFX数值模拟和模型试验，分析了RNGk-ε以及SSTk-ω湍流模型对于西淝河北站水泵装置数值模拟的适用性。根据不同流量工况下的数值模拟分析表明:外特性误差曲线呈现为开口向上的抛物线;在水泵装置设计流量附近，两种湍流模型数模结果与模型试验结果相对误差均小于5％，偏离设计点工况区域误差明显增大。综合而言，SSTk-ω湍流模型对于该装置的数值模拟结果更加准确。 (2)采用雷诺时均模拟，基于SSTk-ω湍流模型，数模研究不同叶片角度、不同流量下水泵装置内外特性。对比分析全工况范围内的数模与模型试验结果，两者外特性曲线基本吻合，进一步验证了所构建的流固耦模型可行性。在Workbench平台上，Static Structural中，通过分离解法，基于单向流固耦合方法对转子结构进行静力学特性分析，并对该转子进行强度校核。结果表明:叶片及泵轴会产生逆水流方向的形变;泵轴形变量较小，叶片形变量由轮毂处向轮缘处逐渐增大，在进水边外侧出现最大形变;等效应力集中分布在叶片与轮毂连接处及轴承连接处;叶片上的等效应力由轮缘至轮毂逐渐增大;转子结构最大形变量与最大等效应力与流量呈负相关，与叶片角度呈正相关;在小流量工况下，最大等效应力也远低于材料极限强度，表明该转子不会发生断裂; (3)在Workbench上，Modal和Modal Acoustic模块中，通过兰佐斯法对该转子进行动力学模态分析，并在瞬态计算叶轮轴向力、径向力、形变、应力及压力脉动的基础上，对该转子进行了共振校核，结果表明:预应力对该转子模态频率影响小于0.11％，叶片角度对转子各阶模态频率影响为0.35％～0.73％，水体阻尼作用使转子模态频率下降6.87％到11.47％，最小频率为;该水泵装置的叶频为9.09Hz，叶轮旋转一周时，瞬时轴向力、流场压力形变及应力均会出现周期性变化，瞬时轴向力脉动主频为9.09Hz，瞬时径向力脉动主频为18.19Hz，叶轮进出口压力脉动主频为9.04Hz，转子形变脉动主频为8.80Hz，转子等效应力脉动主频为6.60Hz，均小于湿模态第一阶频率36.904Hz，该转子不会发生共振。 (4)基于流固耦合理论，探索了60％、70％、80％、90％叶片厚度转子结构的静力学、动力学特性，结果表明:削薄后的转子结构最大形变及最大等效应力变化规律与原始转子相同，叶片厚度越薄，则转子形变及应力越大;60％叶片厚度转子最大形变增加了214％～269％，最大等效应力增加了71％～95％;水泵转子所受多为低频振动激励，而叶片厚度的改变对于低阶模态频率影响不大，因此削薄叶片不会增加转子共振发生概率;考虑到叶片削薄后形变及应力，建议叶片不应薄于原厚度的80％。
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