双吸式离心泵的三维造型及其抗震性能分析

2009-11-09 吕斌大连交通大学创新教育基地

　　现代水泵数值模拟和分析技术都是以水泵的全三维造型为基础，因而研究水泵的全三维造型具有重要的意义。在传统的泵强度和抗震性能分析中，一般都采用壳单元，按统一的厚度进行简化计算，但实际上泵壳各部分的厚度是不均匀的，因此使用统一厚度的壳单元对泵进行计算分析是一种近似，这就势必会影响分析结果的精度。

　　双吸式离心泵具有涡室形状复杂，多流道等特征，其三维造型和性能分析涉及到的问题较多，在泵的三维造型和分析中具有普遍性。本文针对某型号双吸式离心泵进行了全三维造型，并按照有关规范要求对其进行了抗震性能分析。分析结果表明，该泵能够满足相关规范的要求。

1、泵的使用情况

　　该泵为单级、双吸、中开式离心泵，泵体和电动机分别通过4个M36的螺栓固定于机座上，泵吸入和吸出口方向均为水平轴向。额定转速为1500r/min，设计压力为O.8MPa，介质温度为45℃。泵体材料为18Cr8Nio泵机组安装于地下室一7.5m标高上，水泵安全等级为3级，电动机安全等级为1E级，泵/电机机组的抗震类别为Ⅰ类。

2、三维模型的建立

　　为保证计算结果的准确性，本文使用PrO/E软件根据制造厂商提供的实际泵尺寸，建立了和实际泵完全一致的全三维模型。三维造型中的关键是曲线曲面的数学表述问题，在该双吸式离心泵三维造型中，采用了非均匀有理化B样条的方法。

　　建立泵体轮廓模型时，首先利用描点法生成各截面上的关键点，然后利用NURBS法生成截面的轮廓，最后运用扫描成型功能得到泵体模型，泵的入水口和出水口部分采用简单的旋转生成。图1为根据图纸建立的泵体全三维模型。

3、有限元分析

　　(1)有限元网格的划分。实体建模后，将模型导入有限元前后处理软件MSC/MARC中，进行有限元网格划分，单元类型为八节点四面体单元，共有16724个单元，26183个节点。有限元模型如图2所示。它包含了泵体和出入口法兰。泵体内的水的质量被平均分配到泵体上。

　　(2)载荷约束条件。泵模型的底座与一块钢板刚性相连，在泵内部存在着大小为0.8MPa的内压，入口和出口的法兰面上承受螺栓预紧力，螺栓预紧力包括密封法兰所需的力和平衡内压所需的力，而且在法兰密封面上承受密封所需的力。

　　在泵的出水口和入水口各有一组接管力，接管载荷的大小如表1所示。对于接管力的施加，其力的部分，采用对法兰平面上的结点平均分配力的方法进行施加。而对于接管力的力矩部分，以力偶形式加在结点上。

　　对于地震载荷的施加，可以根据泵安装厂房一7.5m标高的SSE地震楼层谱进行确定，使用时应再乘以1.5的系数。其反应谱最大加速度X方向为0.8g，Y方向为0.8g, Z方向为0.5g， g为重力加速度，为9.8m/s2。在实际计算中，3个方向都按1.5g给定，这样计算结果就偏于保守。

　　(3)计算结果分析。首先进行模态分析，分析得到第一阶整体振动模态的频率为54Hz，超过33.4Hz，故知设备为刚性结构。因此泵体的抗震分析可以采用等效静力法进行分析。

　　泵体的Tresca应力分布和变形状况如图3、4所示，由分析结果可见，泵体大部分Tresca应力在3.5～10MPa范围内，只是在两侧的约束点处Tresca应力达到了53.1MPa，这是约束导致的应力集中，属于二次应力加峰值应力。如果不考虑应力集中，泵体最大Tresca应力为了31MPa。泵体的最大变形为0.08mm，发生在入口法兰边缘。