双吸式离心泵的三维造型及其抗震性能分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)大连交通大学创新教育基地 作者:吕斌

  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。

  入口法兰的Tresca应力分布如图5所示,由分析结果可见,入口法兰最大Tresca应力为53.1MPa,发生在施加接管载荷点上,这是约束导致的应力集中,属于二次应力加峰值应力。除了这些点,大部分Tresca应力为3.5~9 MPa左右。

  出口法兰的Tresca应力分布如图6所示,出口法兰最大Tress。应力为30 MPa,发生在施加接管载荷点上,这也是约束导致的应力集中。除此之外大部分Tresca应力为5-9 MPa左右。

  由以上结果可知,泵体、入口法兰、出口法兰在自重,接管载荷,螺栓预紧力和地震载荷同时作用下都远远小于材料的应力极限值133 MPa,该泵的承压部分满足ASME3级部件的要求,因此满足了在地震下的结构和受压边界完整性要求。

4、结论

  (1)分析表明。该泵的动力学性能对抗震性能影响较小,可用等效静力的方法分析抗震性能。

  (2)有限元分析计算结果表明泵体所有节点应力均远小于ASME规范的要求,变形量也在要求的范围之内。

  (3)计算中采用了放大加速度值的做法来提高地震力,计算结果表明应力能够满足要求,证明该泵不仅能满足地震条件下压力边界的完整性,而且能满足可运行性的要求。

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