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國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)離心泵時(shí)，一般根據(jù)傳統(tǒng)理論與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定泵體的壁厚尺寸，通常認(rèn)為泵體厚度越大，就越安全耐用，而很多國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的同類產(chǎn)品，其壁厚通常要比大多數(shù)國(guó)產(chǎn)泵明顯薄些，不僅質(zhì)量與性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，其耐用程度也毫不遜色，出現(xiàn)如此明顯的反差，值得深入細(xì)致的研究。如果能在保證泵蝸殼強(qiáng)度的前提下，降低蝸殼壁厚，將大量節(jié)約原材料，有效降低生產(chǎn)成本，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)適應(yīng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)創(chuàng)造強(qiáng)有力的條件。因此，研究一種新的準(zhǔn)確快捷的強(qiáng)度分析方法至關(guān)重要。
通過傳統(tǒng)公式計(jì)算出壁厚值，并進(jìn)行修正，利用Fluent軟件模擬出不同工況下泵的壓力分布情況，再應(yīng)用ANSYS軟件，近似計(jì)算泵在不同工況下蝸殼所受的應(yīng)力與應(yīng)變，從而分析與校核蝸殼強(qiáng)度，并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
一般以清水作為輸送介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)泵材料通常選擇灰鑄鐵件。本文選用的材料是HT200的灰鑄鐵件，彈性模量為130 GPa，泊松比為0.27，密度為7×e3kg/m3，抗拉強(qiáng)度極限σb為220 MPa。對(duì)浙江某企業(yè)生產(chǎn)的S50-160/75型標(biāo)準(zhǔn)泵進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)流量Q=50 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=32 m，轉(zhuǎn)速n=2 950 r/min，比轉(zhuǎn)數(shù)ns=93。采用閉式葉輪，葉片數(shù)為6片。
根據(jù)文獻(xiàn)估算蝸殼壁厚，當(dāng)量壁厚為sd=1 545ns+0.008 4ns+7.2=24.59蝸殼壁厚理論值為s=sdQH98 066.5[σ]H=2.7 mm式中，Q—流量，m3/s，H—揚(yáng)程，m[σ]—鑄鐵的許用應(yīng)力，Pa實(shí)際生產(chǎn)時(shí)需對(duì)蝸殼壁厚理論值進(jìn)行修正。針對(duì)這一型號(hào)，很多國(guó)產(chǎn)泵的蝸殼壁厚通常為10 mm左右，取安全系數(shù)為2.2，修正后的蝸殼壁厚為6.0 mm，再進(jìn)行流場(chǎng)模擬與應(yīng)力有限元分析，并做試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
考慮到曲面的復(fù)雜性，首先利用ProE軟件分別對(duì)葉輪和蝸殼內(nèi)的過流空間造型，然后導(dǎo)入Fluent的前處理軟件GAMBIT中劃分網(wǎng)格，針對(duì)蝸殼和葉輪計(jì)算區(qū)域復(fù)雜的特點(diǎn)，采用三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，蝸殼流道網(wǎng)格數(shù)為222729，葉輪流道網(wǎng)格數(shù)為147642。
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和SIMPLEC算法，泵的進(jìn)口處采用速度進(jìn)口邊界條件(velocity-inlet)，假定進(jìn)口處速度均勻，且速度方向垂直于進(jìn)口截面。出口處采用出流(outflow)邊界條件。葉輪、蝸殼與流體相接觸的所有界面均采用無(wú)滑移壁面(wall)邊界條件。壓力取為第二類邊界條件。近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。對(duì)S50-160/75型標(biāo)準(zhǔn)泵進(jìn)行全流場(chǎng)三維模擬計(jì)算，得到泵內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布情況。分別取小流量工況(0.4倍流量)和設(shè)計(jì)點(diǎn)工況作為蝸殼計(jì)算工況，對(duì)流場(chǎng)的靜壓分布進(jìn)行模擬計(jì)算與分析，圖為小流量工況與設(shè)計(jì)工況流場(chǎng)的靜壓云圖。
從計(jì)算結(jié)果可以看出：當(dāng)泵工作在小流量區(qū)域(0.4倍流量)時(shí)，蝸室側(cè)壁沿液流方向從隔舌到出口，壓力分布分為降壓區(qū)與升壓區(qū)，壓力分布呈現(xiàn)出由大變小再變大的分布規(guī)律。設(shè)計(jì)工況下，壓力沿液流方向逐漸增大，至出口附近基本達(dá)到平衡，壓力大體上恒定。
在泵軸轉(zhuǎn)速一定，小流量工況運(yùn)行時(shí)，蝸殼內(nèi)部壓力分布出現(xiàn)明顯的區(qū)域性降壓現(xiàn)象，隨流量的增大，降壓現(xiàn)象逐漸削弱直至消失，造成這種壓力分布的原因，一方面是由蝸殼的斷面尺寸引起的，隨著蝸殼內(nèi)收集流量的增加，半徑向排出口逐漸增加，液流速度減小，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)能向壓能的轉(zhuǎn)換；另一方面是由于小流量工況下，出口管內(nèi)壓力較高，同時(shí)，喉口區(qū)的部分流體從隔舌間隙及泵殼軸向間隙回流到蝸殼內(nèi)部，引起蝸殼內(nèi)壓力升高。隨著蝸殼包角的增大，蝸殼截面積增大，回流流體與葉輪內(nèi)的低壓出流之間的摻混作用增強(qiáng)，使蝸殼內(nèi)的壓力降低;隨著蝸殼包角的進(jìn)一步增大，蝸殼的降速擴(kuò)壓作用越來(lái)越明顯，使得蝸殼內(nèi)的壓力逐漸升高。因此，小流量時(shí)蝸殼內(nèi)沿液流方向的壓力分布由大變小再變大，而在設(shè)計(jì)工況下，蝸殼內(nèi)的壓力分布出現(xiàn)了沿液流方向逐漸增大的趨勢(shì)。
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