【《离心泵叶轮的ansys探析》8200字】

离心泵叶轮的ansys分析摘要离心泵叶轮是影响离心泵效率的关键因素，叶轮设计对于提高离心泵的效率，稳定性和抗汽蚀能力有至关重要的作用。论文是以KSW卧式离心泵为研究对象，通过soldworks建立叶轮的三维模型，在ICEM

CFD中对流道模型划分网格和设定边界条件。在Workbench中进行了流场分析和静力分析，得到了离心泵叶轮的速度、变形、压力，应力分布图情况，最后以离心泵的圆盘能量损失为目标，以叶轮的出口直径、出口安放角、出口宽度三个参数为约束条件进行分析，继而改变模型，进行分析优化。优化后离心泵的叶轮得到较大的改善，符合离心泵设计的基本要求，同时对泵企业在新产品的开发过程中缩短产品开发周期，减少经济成本等方面都有着重要的意义。关键词：离心泵；叶轮；参数设计；分析；优化目录摘要1Abstract3绪论71.1研究背景71.2国内外研究现状71.3选题意义81.4本章小结8叶轮参数设计92.1离心泵叶轮的设计方法92.2确定泵进出口直径92.3确定效率102.4确定功率102.5初算叶轮主要尺寸112.6第一次精算叶轮外径132.7第二次精算叶轮外径152.8第三次精算叶轮外径162.9本章小结17离心泵叶轮的三维建模19SolidWorks概述19叶轮的绘制19本章小结20网格划分214.1ICEMCFD介绍214.2离心泵叶轮网格划分214.3本章小结22离心泵叶轮的ansys分析235.1软件介绍235.2叶轮的分析235.3本章小结26离心泵叶轮的优化276.1优化分析276.2优化结果分析296.3本章小结32总结与展望337.1总结337.2展望33参考文献351.绪论1.1研究背景离心泵是日常机械生产和工作中常见的机械设备之一。离心泵主要作为机械流体高速运动和动力输送系统的连接中枢和重要心脏,在很多行业中被广泛应用[1]。流量均匀、流量扬程范围宽、结构紧凑、振动小、运转平稳、维护检修费用相对较低等是离心泵的特点。离心泵是一种化工设备,在各种机械和装置中使用最多的一种转动式设备,它好比人的心脏一样可以在不同设备之间传递输送液体。离心泵通过叶轮旋转产生离心力,从入口吸入介质增压,将液体输送到高位或高压的系统,并克服系统的摩擦阻力。离心泵属于连续运转的转动设备,发生故障的概率较高[2]。离心泵有单级、多级、立式、卧式、单吸、双吸、等多种形式。根据叶轮安装高度不同又可以分为自灌式液压离心泵和自动吸入式液压离心泵[3]。叶片的主要传动作用也就是将这个动装置的内部机械介质能量转传给被动力输送的机械介质;泵壳又可以称之为传动蜗壳,它是一种用于转动介质的小型传动装置;泵壳轴封保护装置主要是离心机的泵壳主轴与转动泵壳之间对称的密封,主要保护作用也就是为了防止转动介质沿离心轴轴的漏出或者防止外界对流和空气的的进入堵塞到离心泵壳。1.2国内外研究现状我国的工业起步比较晚，离心泵的发展到目前为止主要经历了不同的阶段：由50年代的仿苏产品开始[4]，国内经历60年代的自主研发，生产一系列的离心泵，80年代我国引进国外先进技术，20世纪80年代末，开始对冲焊泵进行研究与制造[5]。到目前为止，中国生产的离心泵种类繁多，在今天的中国随处可见，从民用体育制造到海军国防，从工业到农业体育制造到石油工业甚至国家核工业，无处不有。国内离心泵的技术水平通过发展几十年而引进了许可技术。从其产品的综合科学性和技术水平分析，单级和二级离心泵在产品质量和使用功能上基本达到了先进技术水平，与国外同类离心泵产品相比技术差距不大。有些关键地方还需要有国际一流的技术水平，比如产品可靠性、效率、通用自动化技术水平等。目前，我国泵企业约1000家，占世界泵企业的1/10，国内企业约350亿美元。这些泵厂的产品代表了中国泵行业的整体水平。国内水泵年产值增长了10.5%，约为国民经济的1.5倍，是世界经济的25倍。同时，随着我国关经济的持续发展和快速发展,未来几十年泵的广泛应用和良好的经济增长将持续下去。虽然目前中国有这么多大型泵制造商,而且每年都有许多大型泵工业产品大量生产,但目前中国使用的一些泵工业产品的质量仍然不高,尤其是那些用于我们工业生活的产品。1851年，英国科学家J.Tomsom采用导流叶片来提高泵的效率[6]。20世纪早期,罗伦次基于传统流体力学和机械工作场的基础概念,提出了一种基于气体叶片式传动机械的二元气体流动力学理论。[7]。近十年来，国外一些大型泵公司，包括丹麦Granfu公司和美国ITT公司，都采用了智能机器来完成离心泵零件的冲压和焊接[8]。日本艾巴拉公司的技术人员为了设计和开发叶轮、导叶和蜗壳等主要部件，专门设计集成软件。该软件系统与各种设计制造系统相连接，使离心泵的设计和制造能够从初始三维实体建模到网格生成、仿真软件分析、快速样品制造原型系统，最后是复合加工系统的制造和试验。使得离心泵的设计和开发周期大大缩短，设计的泵产品质量比原来有了很大的进步[9]。现今,国外在探究和分析离心泵性能时大都采用测试系统。根据有关资料的研究表明,在美国、日本等发达国家,水泵的性能检测和控制装置都已经走向了普遍化,且现代化程度达到很高的水平。而对于国内来说,采用测试系统来精确的预测水泵性能还需要很长一段时间去完成[10]。1.3选题意义离心泵具有高转速、小零件体积、高扬程、大功率流量、可靠性好、装配容易等优势。离心泵作为旋转机械,叶轮是它的核心部分,主要通过叶轮的旋转带动液体转动,通过液体来传递或者转移能量。叶轮是离心泵内部能量变化和转换的一个核心组成部件,其性能的优劣直接决定了离心泵总体的性能[11-12]。叶轮高速旋转时，不仅承受离心力，还承受流动压力，使流体具有多重运动规律。叶片工作面产生大量摩擦，伴随着能量碰撞和冲击载荷作用在叶片表面。受力情况非常复杂，导致叶轮磨损或开裂。并且压力不均匀，很难用简单的数学公式来描述，因此通过数值模拟对叶轮进行优化具有重要意义。1.4本章小结

本章简要介绍了离心泵背景和国内外发展现状和发展趋势，并阐明了课题设计的必要性。2.叶轮参数设计[13]2.1离心泵叶轮的设计方法叶轮作为离心泵的核心部件，主要负责能量的输送和转换。其结构几何不仅影响泵的效率，而且与泵的抗气蚀能力、泵的性能以及内外特性曲线的形状有着密不可分的关系。目前离心泵叶轮设计的方法主要有相似设计法和速度系数法[14]。速度系数法实际上也可以认为是一种类似的设计方法,它和模型交换算法在实质上完全是相同的,其中之间的区别在于模型交换算法主要是以一台类似的水泵为依据进行交换设计,而这种速度系数法则指的是一种建立在一系列类似水泵设计基础上的方法进行设计,是按照相似的原理推导出来的计算公式及其相应的统计系数来准确地计算流体中各个部件的尺寸。表一设计参数要求Table1designparameterrequirements流量Q转速n扬程H汽蚀裕量(NPSH)r30m3/h2900r/min45m3.0m2.2确定泵进出口直径泵进口直径 Ds===69.42mm(选Vs=2.2m/s)(2-1)取Ds=70mm泵出口直径Dd=(0.71.0）Ds（选Dd=0.77Ds）取Dd=54mm确定比转速ns===56(2-2)2.3确定效率水力效率ηh=1+0.0853lg(2-3)=0.85=85%容积效率ηv=(2-4)=91%（3）机械效率圆盘损失效率η`m=1-0.07(2-5)=86%假定轴承，填料损失为2%，则机械效率ηm=84%总效率η=ηhηvηm(2-6)=0.85×0.91×0.84=65%2.4 确定功率（1）轴功率 P=(2-7)==5.65kw计算配套功率P`=KP(2-8)=1.2×5.65=6.78kw（取K=1.2）计算转矩Mn=9.55×105(2-9)=9.55×105=22.32NM最小轴径D==(2-10)14.72mm取d=20mm2.5初步计算叶轮主要尺寸进出口当量直径D0=k0=4.0×(2-11)=56.8mm取D0=60mm叶轮进口直径Dj=√D02+dh2=60mm(取dh=0)(2-12)（3）叶轮出口宽度Kb2=(0.640.7)()5/6(2-13)=(0.640.7)()5/6=0.3970.434b2=Kb2=(0.3970.434)×(2-14)=5.646.16取b2=9mm(4)初定叶轮外径KD2=（9.359.6）()5/6(2-15)=（9.359.6）×()5/6=5.805.95D2=KD2=（5.805.95）×(2-16)=82.3684.49取D2=85mm确定叶片厚度+1(2-17)=3.5×0.085×+1=1.8mm因为叶轮的材料为铸铁，所以取δ=3.5mm表二常用材料的A值Table2avalueofcommonmaterialsns4060708090130190280铸铁，铜44.56710钢3.55.68（6）叶片数通常离心泵叶轮的叶片数大多为Z=4--8,在这里考虑到扬程，效率，圆盘摩擦损失等因素，选取Z=6。（7）叶片出口安放角β2叶片出口安放角一般没有公式进行计算，它是一个经验系数，其范围一般为β2=180--400，参考比转速，效率等因素，这里选取β2=240。2.6第一次精算叶轮外径（1）理论扬程Ht==52.9m(2-18)（2）叶片进口圆周速度Su2=δ2√1+(cotβ2/sinλ2)2(2-19) =3.75×√1+(cot300/sin900)2=7.5mm（3）叶轮出口排挤系数Ψ2=1-(2-20)=1-=0.832（4）出口轴面速度Vm2=Q√μVD2πψ2b2(2-21)=0.00833/(0.91×0.085×π×0.832×0.009)=4.578m/s（5）斯托道拉滑移系数 σ=1-sinβ2(2-22)=1-sin300=0.738(6)U2=Vm2/2σtanβ2+√(Vm2/2σtanβ2)2+gHt/σ(2-23)=4.578/2×0.785×0.577+=32.417D2=U260/πn(2-24)=（32.417×60）/（π×2900）=213.5mm与假定不符，取D2=213.5mm进行计算。2.7第二次精算叶轮外径（1）叶轮出口排挤系数Ψ2=1-(2-25)=1-=0.933（2）出口轴面速度Vm2=Q/μVD2πψ2b2(2-26)=0.00833/(0.91×0.2135×π×0.933×0.009)=1.625m/s（3）U2=Vm2/2σtanβ2+√(Vm2/2σtanβ2)2+gHt/σ(2-27)=1.625/（2×0.785×0.577）+=28.48m/sD2=U260/πn(2-28)=（28.48×60）/（π×2900）=187.6mm与假定不符，取D2=187.6mm进行计算。2.8第三次精算叶轮外径（1）叶轮出口排挤系数Ψ2=1-(2-29)=1-=0.924（2）出口轴面速度Vm2=Q/μVD2πψ2b2(2-30)=0.00833/(0.91×0.1876×π×0.924×0.009)=1.87m/s（3）U2=Vm2/2σtanβ2+√(Vm2/2σtanβ2)2+gHt/σ(2-31)=1.87/（2×0.785×0.577）+=28.79m/sD2=U260/πn(2-32)=（28.79×60）/（π×2900）=189mm与假定接近，不再重新计算，D2=189mm。（4）叶轮出口轴面速度Vm2=Q/μVD2πψ2b2(2-33)=0.00833/(0.91×0.189×π×0.924×0.009)=1.854m/s2.9本章小结本章简要介绍离心泵基础理论以及设计方法的选择，详细的给出了设计步骤。3.离心泵叶轮的三维建模3.1SolidWorks概述Solidworks设计软件系统是一个在新的windows自动化设计工具环境下可以方便地进行自动创建各种机械设计应用对象的自动化软件,是一个以专业的机械设计师和各种功能零部件人员为主要设计对象的CAD/CAE/CAM自动化设计工具系统。SolidWorks遵循的易用、稳定和创新三大原则，为了比较不同的设计方案、减少设计错误并提高质量，Solidworks强大的实体造型功能和易于使用的Windows界面已成为三维产品设计的标准。拥有或没有辅助设计经验的机械工程师可以使用soldworks来提高生产力，并使公司能够以更快的速度、更低的成本和更高的质量将产品推向市场。3.2叶轮的绘制根据计算得到的比转速，根据参数设计已知叶片选择为6片，比转速小于90的离心泵一般采用圆柱形叶片，通常使用双圆弧法来绘制叶轮对平面投影图，主要步骤如下所示：(1)做叶轮的D2和D1(2)做中间圆Dj和βj（βi=）(3)做半径线om，由m点做直线mb，是∠bmo=β2(4)作半径线oc，使∠moc=β1+β2，并与Dj圆交于点c(5)过m、c作直线，并与Dj圆交于另一点n

(6)连接半径线on,作直线ne,使∠ome=βi,

并与mb交于e点(7)以e点为圆心，以em为半径做圆弧，此弧必然通过n点

(8)作半径线of,使∠nof=β1+βi,

并与D1圆交于f

(9)过n、f点作直线，并与D1圆交于点h

(10)做半径线oh.做直线hk,使∠ohk=β1,并与ne交于点k;

(11)以点k为圆心，以kn为半径作圆弧，此弧必然通过h点:

(12)以e和k点为圆心,分别以me+s和nk+s为半径做圆弧,并适当削尖修圆叶片入口边，确定好叶片形状。其中s为叶片实际厚度

(13)以叶片数z等分叶轮外径，并用相同的步骤依次化剩下的叶片:(14)拉伸实体，阵列生成叶片。图1叶轮模型图Fig.1impellermodeldiagram3.3本章小结本章简要介绍了SolidWorks软件，并应用SolidWorks三维软件对离心泵叶轮进行实体建模，这也为下一一章的网格划分打下基础。4.网格划分4.1ICEMCFD软件介绍ICEMCFD--专业的CAE前处理软件作为专业的前处理软件ICEMCFD为所有世界流行的CAE软件提供高效可靠的分析模型。强大的CAD模型修复能力、自动中面提取、独特的网格雕刻技术、网格格式编辑处理技术和广泛的格式解析处理器可以支撑设计能力。它也是专门开发基于ansys应用程序家族的分析统计工具的官方应用程序,还可以使它用户可以直接将其进行整合开发到新的ansysworkbench应用平台上,获得分析工具中的workbench的所有功能特点。ICEMCFD作为目前fluent和flcfxg所标配的通用网格自动划分管理软件,取代了GAMBIT的网格主导地位。4.2离心泵叶轮网格划分对于离心泵叶轮的复杂结构，将使用ANSYSICEMCFD软件进行非结构网格划分，将其进行保存，步骤如下；在ICEMCFD导入在soldworks中已经建好的模型图，选择单位为毫米导入之后，需要创建条件，创建进出口，中心，边界等生成meshcomputermesh检查网格图2叶轮网格生成图Fig.2impellermeshgeneration4.3本章小结本章简单介绍ICEMCFD软件，在任何流体分析情况下，网格划分都是最重要的一步。后期流体分析的精度取决于网格划分方法的选择和网格的质量。离心泵的流体分析，非结构化网格划分由CFD专业软件选择。5.离心泵叶轮的ansys分析5.1软件介绍Fluent软件是目前国际上较流行的CFD软件，也是使用最广泛的CFD软件。它本身具有丰富的数学分析模型，先进且可比的物理分析方法，以及强大的图像数据处理前后和算术集成功能[15]。它用于与流体、传热和化学反应相关的所有行业。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，广泛应用于我国各行业的设计中。Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件组的概念”。针对每个流动物理问题的特点，采用适合其的数值解决方案，以实现最佳的计算速度，稳定性和准确性。由于它包含了FluentDynamicalInternationalBelgiumPolyFlow和FDI的所有技术优势，因此，Fluent具有上述软件的许多优点[16]。Fluent具有以下优点：（1）适用面广：FLUENT可用于各种优化物理模型，与流体相关的领域;（2）高效省时：Fluent可以将不同软件之间方便地进行数值交换，并采用统一的前、后处理工具，省却了时间与静力的投入。（3）稳定性好精度高：对于不同的物理流动问题，可以使用适合它的数值求解。5.2叶轮的分析(1)流体流动分析流体的介质为清水，选择转速为2900rad/min,换算单位即48rad/s。通过分析,得到流场压力和流场速度图如下所示。图3叶轮流道压力分布图图四叶轮流道速度分布图Fig.3pressuredistributionFig.4velocitydistributionofimpellerpassageofimpellerpassag图5叶轮流道速度分布图Fig.5velocitydistributionofimpellerpassage由上图分布大致可得，离心泵叶轮的内部流场分布基本均匀，由压力分布图可知，离心泵叶轮边缘处压力较大，而中心处压力较小，由速度分布图可知，离心泵叶轮的边缘处速度大，速度约为8.19m/s。（2）静力分析图6叶轮正面变形分布图图7叶轮背面变形分布图Fig.6frontdeformationFig.7distributionofdistributionofimpellerimpellerbackdeformatio图8叶轮正面应力分布图图9叶轮背面应力分布图Fig.8stressdistributionFig.9stressdistributionofimpellerfaceonthebackofimpeller由图可知,离心泵叶轮的最大变形在边缘处发生,其最大变形量为5.4841×10-10m,离心泵叶轮的平均变形量为3.4095×10-10m。通过图八和图九的分析,得出结论,离心泵叶轮承受的最小应力为48.463Pa,离心泵叶轮承受的最大应力为16930Pa,平均应力为4011.1Pa。5.3本章小结 本章通过结合计算流体动力学的技术与有限元方法对离心泵的叶轮进行有限元结构的分析。通过ansys有限元静力学分析,得到了离心泵叶轮的最大变形在边缘方向发生,其最大位移量公式为5.4841×10-10m。6.离心泵叶轮的优化6.1优化分析（1）叶片出口角β2的影响叶片与泵出口的夹角β2对离心泵的性能变化曲线的直接影响如下图10所示。图中ht为泵的理论输出扬程,Qt通常为泵的理论输出流量。β2从很小的一个角度起逐渐方向增大时,特性顶点曲线上的h-q由原始陡降逐渐变为平坦,当沿着β2过了某个角度区间后,再逐渐增大时,特性顶点曲线上会出现两个驼峰如下图十中的b、c所示。选择大的流量β2以大幅度地增加了叶轴扬程,减小了流量d2,从而可以大大减少了水泵圆盘表面对摩擦力的影响,提高了泵测量效率。但由于增大了叶轮β2角,在相同特殊设计的流量下叶轮对进气道的冲击和出口所受损失的速度也可能会有所增加,压水室中的叶轮对水力冲击所受损失的速度也会有所增加,并且由于在非特殊设计相同的流量下叶轮对水力冲击所受损失的速度也会有所增加,容易造成使得叶轮特性驼峰曲线两端发生使用特性驼峰。所以就是这样,为方便获得角度下降的角形特性和角曲线,不宜于择选过大的角或β2角。综合情况考虑,泵体与叶片的进出口角角度可取22.50-380[17]。图10叶片出口角β2对泵性能的影响Fig.10bladeoutletangleβ2Effectonpumpperformance（2）叶轮出口宽度b2的影响叶轮出口宽度b2对泵性能曲线的影响如图所示[18]。如果改变b2,会使性能曲线变得倾斜或平坦。理论扬程曲线呈水平线,实际扬程曲线就容易出现驼峰。为获得稳定的性能曲线,应减小出口宽度b2。图11叶轮出口宽度b2对泵性能曲线的影响Fig.11effectofimpelleroutletwidthb2onpumpperformancecurve（3）效率分析本文对叶轮进行了优化,以提高泵的工作效率。为了大大提高泵的工作效率，有必要尽可能减少泵内的功率损耗。当泵将机械动能转化为液体动能时，会带来一定的水力损失、容积损失和机械损失。机械损耗主要包括轴承损耗功率、密封损耗功率和圆盘摩擦损耗功率，其中圆盘摩擦损耗功率主要是指前后盖表面、盖泵室内液体和液体的摩擦导致叶轮消耗的功率损耗。目前，圆盘摩擦损失Nm3通常通过以下方法估算:Nm3=（1.2×10-6/13.3）gρu22D22（6-1）u2———叶轮出口圆周速度。u2=D2πn/60（6-2）由此可以看出，圆盘摩擦损失Nm3与叶轮外径D2的5次方成正比，所以叶轮直径的轻细小变化也可能导致圆盘摩擦损失的巨大变化。为了使低比转速泵产生更高的扬程，叶轮的直径应该更大，对圆盘的摩擦损失也会更大，这是导致低比转速泵工作效率低的主要因素之一。提高低比转速泵性能的唯一方法是在其它条件不变的情况下，尽量减少由圆盘引起的摩擦损失[19]。(4)设计变量的选取通常叶轮性能优化器在设计中,选取叶轮的内径、外径、进口角、出口宽度、叶片个数作为其设计的变量,这些大小和尺寸都是直接影响水泵工作效率的主要因素,为了降低或减少再次设计时的费用,因此在不需要改变水泵整体结构的情况下对叶轮进行了结构设计,所以以叶轮的外径、叶轮出口宽度和叶轮的出口角作为其设计的变量。表三优化前后设计变量比较Table3Comparisonofdesignvariablesbeforeandafteroptimization项目叶轮外径D2/mm叶片出口角β2/（0）叶轮出口宽度b2/mm初始值1892409优化值183300106.2优化结果分析仿真分析图12优化前流道压力分布图图13优化后流道压力分布Fig.12pressuredistributionofflowFig.13pressuredistributionchannelbeforeoptimizationofoptimizedflowchannel图14优化前流道速度分布图图15优化后流道速度分布图Fig.14velocitydistributionofflowFig.15velocitydistributiochannelbeforeoptimizationofoptimizedrunner图16优化前总变形分布图图17优化后总变形分布图Fig.16distributionoftotalFig.17distributionoftotaldeformationbeforeoptimizationdeformationafteroptimization图18优化前应力分布图图19优化后应力分布图Fig.18stressdistributionFig.19stressdistributionbeforeoptimizationafteroptimization图18是优化后叶轮总变形分布图,图20为优化后叶轮应力分布图。优化前、后叶轮出口的最大压力和最大相对速度见表四。由表四可以看出,优化后叶轮出口压力有较大升高,这是由于叶轮出口安放角增大引起的结果。叶轮出口的相对速度最大值基本不变。叶轮出口的相对速度在压力面和吸力面之间的分布有所改善,有利于削弱叶轮出口的尾流,提高泵的性能。（2）效率估算分析表四优化前后状态变量比较Table4Comparisonofstatevariablesbeforeandafteroptimization项目叶轮出口最大压力P/Pa口叶轮出口最大相对速度W/（m/s）优化前215208.19优化后749008.20表五优化前后圆盘摩擦损失比较Table5Comparisonofdiscfrictionlossbeforeandafteroptimization项目优化前/kw优化后/kw优化后降低/%圆盘摩擦损失/Nm30.250.2212效率作出估算分析。优化前、后的圆盘摩擦损失Nm3分别为0.25kW和0.22kW,其差值ΔNm3为:ΔNm3=0.25-0.22=0.03kW6.3本章小结本周通过分析影响离心泵效率的叶轮参数，通过改变参数修改模型进行优化，使用ansys进行了优化后的流场和静力分析，经优化发现圆盘摩擦损失比优化前降低了12%。7.总结与展望论文采用速度系数法，对离心泵的参数进行设计，对离心泵进行建模、分析和优