[发明专利]一种卧式半调节轴流泵叶轮叶片固定螺栓疲劳寿命预测方法

说明书

一种卧式半调节轴流泵叶轮叶片固定螺栓疲劳寿命预测方法，属于动力机械设备可靠耐久性技术领域，当卧式半调节轴流泵运行时，水泵叶轮叶片在受到水的周向阻力、径向离心力、轴向水压力以及叶片重力的共同作用下，以预测叶片与轮毂的固定螺栓疲劳寿命。包括泵装置内流场数值模拟、叶轮叶片受力计算；根据叶片固定螺栓、叶片根部法兰、叶轮轮毂及压板变形协调条件，计算叶片固定螺栓危险截面应力，确定疲劳载荷谱；最终计算确定各固定螺栓疲劳寿命。本发明能够准确预测卧式半调节轴流泵叶轮叶片固定螺栓的疲劳寿命，对改进叶片根部结构与连接固定设计，合理确定固定螺栓更换周期，提高水泵运行可靠性，具有重要的理论意义和实际应用价值。

技术领域

本发明属于动力机械设备可靠耐久性技术领域，涉及一种卧式半调节轴流泵叶轮叶片固 定螺栓疲劳寿命预测方法，具体的说是涉及一种当卧式半调节轴流泵运行时，水泵叶轮叶片 在受到水的周向阻力、径向离心力、轴向水压力以及叶片重力的共同作用下，叶片与轮毂的 固定螺栓疲劳寿命的预测方法。

背景技术

轴流泵具有扬程低、流量大的特点，广泛应用于农田灌溉、排涝，城镇供排水及防洪等 多个领域。中小型轴流泵及部分大型轴流泵采用半调节叶轮，叶轮的叶片插入轮毂的定位孔 内，应用螺栓插入叶片根部的法兰和叶轮轮毂的孔内，将叶片固定在叶轮轮毂上。在泵站实 际运行中，常发生叶片固定螺栓断裂、甚至叶片掉落的严重事故，固定螺栓实际使用寿命远 低于水泵机组的大修周期，影响水泵的正常运行和功能发挥。因此，急需一种能够预测水泵 叶片固定螺栓疲劳寿命的方法，并进而提出提高叶片固定螺栓运行寿命的方法。

发明内容

本发明针对半调节轴流泵经常出现的叶片固定螺栓易断裂、实际疲劳寿命低于设计寿命 的问题，提出一种卧式半调节轴流泵叶轮叶片固定螺栓疲劳寿命预测方法。通过应用计算流 体动力学(CFD)方法对轴流泵内流场进行数值模拟，计算水泵运行时叶片受到的水流作用 力、旋转惯性离心力和重力，分析计算叶片固定螺栓危险截面的应力特征，预测计算固定螺 栓的疲劳寿命。

本发明的技术方案是：一种卧式半调节轴流泵叶轮叶片固定螺栓疲劳寿命预测方法，其 特征在于，包括如下步骤：

A.卧式半调节轴流泵装置流场计算区域三维建模与网格划分

通过UG对泵装置流场计算区域进行三维建模，包括进水流道、叶轮、导叶、出水弯管、 出水流道，如图1。叶轮部分构建不同旋转角度的叶轮。应用ANSYS ICEM CFD对各部分进 行网格划分，并在CFX–Pre进行拼接。

B.卧式半调节轴流泵装置流场数值模拟与叶轮叶片受力计算确定

流动控制方程采用连续方程和动量方程：

式中：ρ—水体密度；t—时间；U—速度矢量；B—体积力总和；μ_eff—有效粘度；p′—修正 压力；▽—散度；·—矢量积；—叉乘，T—转置。其中：

μ_eff＝μ+μ_t (3)

式中：μ—水的动力粘度；μ_t—湍流粘度；k—湍动能；p—压力；k-ε湍流模型假设湍流 粘度与湍动能和湍动能耗散有关，即

式中：ε—湍动能耗散率；C_μ—k-ε湍流模型常数。

采用k-ε紊流模型：

式中：σ_k、σ_ε—常数；P_k—湍流剪切产出项。