基于數(shù)值模擬的減壓塔底泵內(nèi)部流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)應(yīng)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(guān)鍵設(shè)備之一。本課題屬國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《工業(yè)電機(jī)及典型泵閥節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)研究》中的課題，減壓塔底泵是該課題的主要研究?jī)?nèi)容之一。因此，對(duì)減壓塔底泵進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)應(yīng)力特性研究，以確保產(chǎn)品穩(wěn)定、可靠、安全運(yùn)行，對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)、首級(jí)為雙吸雙蝸殼、次級(jí)為單吸單蝸殼。減壓塔底泵作為一種旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，

2、內(nèi)部流動(dòng)較為復(fù)雜。其內(nèi)部非定常流動(dòng)誘發(fā)的壓力脈動(dòng)會(huì)引起泵過(guò)流部件的振動(dòng)，降低泵運(yùn)行的可靠性；復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)與泵部件結(jié)構(gòu)之間存在著相互作用，即水力激勵(lì)作用的存在，將使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。本文首次針對(duì)減壓塔底泵的內(nèi)部全流場(chǎng)和葉輪、泵體結(jié)構(gòu)場(chǎng)建立了聯(lián)合求解的單向流固耦合計(jì)算，得出流固耦合作用下葉輪、泵體的應(yīng)力應(yīng)變情況。同時(shí)，對(duì)減壓塔底泵內(nèi)部流場(chǎng)的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究。主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)有：
　　 1根據(jù)減壓塔底泵二維結(jié)構(gòu)圖，采用Pro/En

3、gineer軟件對(duì)減壓塔底泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體建模，包括首級(jí)吸水室、前后泵腔、中間流道、葉輪水體、蝸殼水體、葉輪結(jié)構(gòu)、蝸殼結(jié)構(gòu)、泵體等。
　　 2利用ICEM-CFD軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)減壓塔底泵全流場(chǎng)流道的網(wǎng)格生成，對(duì)減壓塔底泵內(nèi)部全流場(chǎng)進(jìn)行了定常數(shù)值模擬，以此結(jié)果作為非定常流場(chǎng)和流固耦合場(chǎng)計(jì)算的初始條件。通過(guò)對(duì)減壓塔底泵三維流場(chǎng)的數(shù)值模擬，分析了在不同工況下泵內(nèi)流場(chǎng)流量、靜壓、流速等參數(shù)的非均勻分布。結(jié)果表明：首級(jí)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性使得其靜壓、速

4、度分布比次級(jí)均勻；設(shè)計(jì)工況下，葉輪各流道內(nèi)的流場(chǎng)分布較為均勻，偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉輪各流道內(nèi)的流場(chǎng)分布不同，0.6Q工況下較明顯，說(shuō)明塔底泵在小流量工況下運(yùn)行時(shí)，更易導(dǎo)致各部件的不均勻受力；將塔底泵數(shù)值模擬曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較，證實(shí)了數(shù)值模擬結(jié)果的可信性。
　　 3對(duì)減壓塔底泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，對(duì)不同工況下蝸殼內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行幅域分析，基于Origin軟件對(duì)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT(FastFourierT

5、ransform)變化以分析其時(shí)域和頻域特性，研究塔底泵蝸殼內(nèi)由于動(dòng)靜干擾等引起的壓力脈動(dòng)。結(jié)果表明：各工況下壓力脈動(dòng)頻率均以葉片通過(guò)頻率為主；蝸殼內(nèi)存在比較明顯的壓力脈動(dòng)，且次級(jí)蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)比首級(jí)要明顯；蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)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(dòng)幅值依次減??；設(shè)計(jì)工況下，蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值小于非設(shè)計(jì)工況；各工況相比，小流量下壓力脈動(dòng)幅值最大，這是由于小流量工況時(shí)泵內(nèi)更為明顯的湍流不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。

6、　　 4利用計(jì)算流體力學(xué)軟件CFX和結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYSWorkbench對(duì)減壓塔底泵內(nèi)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行單向計(jì)算的流固耦合聯(lián)合求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉輪、泵體的應(yīng)力、應(yīng)變靜力學(xué)分析。驗(yàn)證了葉輪、泵體在強(qiáng)度方面滿足要求；給出了葉輪、泵體最大應(yīng)力集中點(diǎn)的位置；分析了不同工況下葉輪最大靜應(yīng)力隨塔底泵流量的增大而降低，兩者線性關(guān)系較差，因此為提高葉輪可靠性，盡量避免其在小流量下運(yùn)行；且各工況相比，設(shè)計(jì)工況下的葉輪最大總變形出現(xiàn)最小值；說(shuō)明了流量的改