基于數(shù)值模擬的減壓塔底泵內(nèi)部流場及結構應力特性的研究.pdf

1、煉油裝置在石油化工生產(chǎn)中處于重要地位，在煉油裝置中減壓塔底泵是最容易出現(xiàn)故障的關鍵設備之一。本課題屬國家科技支撐計劃項目《工業(yè)電機及典型泵閥節(jié)能關鍵技術研究》中的課題，減壓塔底泵是該課題的主要研究內(nèi)容之一。因此，對減壓塔底泵進行內(nèi)部流場數(shù)值模擬及結構應力特性研究，以確保產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠、安全運行，對石化生產(chǎn)具有重要意義。
　　 本文研究的減壓塔底泵采用兩級結構、首級為雙吸雙蝸殼、次級為單吸單蝸殼。減壓塔底泵作為一種旋轉式流體機械，

2、內(nèi)部流動較為復雜。其內(nèi)部非定常流動誘發(fā)的壓力脈動會引起泵過流部件的振動，降低泵運行的可靠性；復雜的內(nèi)部流動與泵部件結構之間存在著相互作用，即水力激勵作用的存在，將使結構發(fā)生變形。本文首次針對減壓塔底泵的內(nèi)部全流場和葉輪、泵體結構場建立了聯(lián)合求解的單向流固耦合計算，得出流固耦合作用下葉輪、泵體的應力應變情況。同時，對減壓塔底泵內(nèi)部流場的壓力脈動進行了研究。主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點有：
　　 1根據(jù)減壓塔底泵二維結構圖，采用Pro/En

3、gineer軟件對減壓塔底泵系統(tǒng)進行實體建模，包括首級吸水室、前后泵腔、中間流道、葉輪水體、蝸殼水體、葉輪結構、蝸殼結構、泵體等。
　　 2利用ICEM-CFD軟件實現(xiàn)對減壓塔底泵全流場流道的網(wǎng)格生成，對減壓塔底泵內(nèi)部全流場進行了定常數(shù)值模擬，以此結果作為非定常流場和流固耦合場計算的初始條件。通過對減壓塔底泵三維流場的數(shù)值模擬，分析了在不同工況下泵內(nèi)流場流量、靜壓、流速等參數(shù)的非均勻分布。結果表明：首級結構的對稱性使得其靜壓、速

4、度分布比次級均勻；設計工況下，葉輪各流道內(nèi)的流場分布較為均勻，偏離設計工況時，葉輪各流道內(nèi)的流場分布不同，0.6Q工況下較明顯，說明塔底泵在小流量工況下運行時，更易導致各部件的不均勻受力；將塔底泵數(shù)值模擬曲線與試驗曲線進行比較，證實了數(shù)值模擬結果的可信性。
　　 3對減壓塔底泵內(nèi)部流場進行了非定常數(shù)值模擬，對不同工況下蝸殼內(nèi)各監(jiān)測點的壓力脈動數(shù)據(jù)進行幅域分析，基于Origin軟件對壓力脈動數(shù)據(jù)進行FFT(FastFourierT

5、ransform)變化以分析其時域和頻域特性，研究塔底泵蝸殼內(nèi)由于動靜干擾等引起的壓力脈動。結果表明：各工況下壓力脈動頻率均以葉片通過頻率為主；蝸殼內(nèi)存在比較明顯的壓力脈動，且次級蝸殼內(nèi)的壓力脈動比首級要明顯；蝸殼內(nèi)壓力脈動最大值出現(xiàn)在隔舌附近，且沿蝸殼流道螺旋線方向，壓力脈動幅值依次減??；設計工況下，蝸殼內(nèi)壓力脈動幅值小于非設計工況；各工況相比，小流量下壓力脈動幅值最大，這是由于小流量工況時泵內(nèi)更為明顯的湍流不規(guī)則運動造成的。

6、　　 4利用計算流體力學軟件CFX和結構有限元軟件ANSYSWorkbench對減壓塔底泵內(nèi)流場和結構場進行單向計算的流固耦合聯(lián)合求解，實現(xiàn)對葉輪、泵體的應力、應變靜力學分析。驗證了葉輪、泵體在強度方面滿足要求；給出了葉輪、泵體最大應力集中點的位置；分析了不同工況下葉輪最大靜應力隨塔底泵流量的增大而降低，兩者線性關系較差，因此為提高葉輪可靠性，盡量避免其在小流量下運行；且各工況相比，設計工況下的葉輪最大總變形出現(xiàn)最小值；說明了流量的改