基于有限元大型立式轴流泵的耐久性研究与改善

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随着我国区域性调水工程的推进,一批大型泵站将投入建设。同时,以前的大型泵站将进入更新改造时期。泵站水泵机组的耐久性直接影响水泵机组的检修费用和泵站功能的发挥。泵站水泵机组的耐久性主要由水泵机组关键部件的耐久性决定。研究水泵机组关键部件的耐久性,提出提高水泵机组耐久性的措施,对保障水泵机组安全可靠,减少维修费用,充分发挥泵站效能具有理论及应用意义。  本文以ZLQ13.5-8型轴流泵为研究对象,确定了其主要的失效发生在叶轮叶片与水导轴承。其中,叶片的主要失效形式是叶片汽蚀和叶片根部的断裂,导轴承的主要失效形式为轴瓦材料的过度磨损。根据各部件的主要失效形式,研究导致各部件失效的主要因素。其中,导致叶片汽蚀的部分原因为:轴流泵中的流场情况对叶片的影响。叶片振动频率与叶片固有频率相近是叶片根部疲劳断裂的一个原因。导轴承上载荷不均匀分布是轴瓦材料磨损的重要原因。为研究叶片上受力情况,根据轴流泵尺寸参数对轴流泵三维建模,并通过有限元分析软件对轴流泵内的流场进行了模拟仿真。得到了轴流泵内流场在各部件中的流动形式,流体对叶轮与导叶体的流体载荷。再将流体动力学分析得到的叶片上载荷导入到结构静力学分析中,作为静力学分析的初始条件,得到叶轮叶片上应力分布情况与位移分布情况。  为有效避免叶轮发生共振损伤叶片,在静力学分析的基础上对叶轮进行了有限元模态分析,得到了叶片的固有振动频率,确定了叶片上各部位的主要振动形式,总结了各阶次振动的规律,得到了叶片振动时最大变形对应的位置,可以使叶轮工作转速远离共振转速,避免外力频率接近叶片固有频率,避免叶片振动剧烈产生疲劳损伤。  轴瓦材料的磨损与轴瓦上的载荷有关。为研究聚氨酯轴瓦上的载荷分布,对轴瓦与泵轴间的流场进行了仿真模拟,得到载荷在流场圆周方向的分布规律,并将流体载荷添加到轴瓦上,确定了聚氨酯材料上载荷的分布及变形情况,对轴瓦磨损情况提供了有效的依据。根据水润滑导轴承的结构,提出一种优化导轴承结构的方案,这种结构易于塑料材料的散热,而且在轴瓦部分磨损时,只需更换损坏的部分,节约了轴瓦衬材料。
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