CN107844668B - 一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,包括以下步骤:步骤1)、对轴流泵装置构建三维数学模型,根据轴流泵装置的流量工况条件,进行三维定常数值计算求解;步骤2)、确定轴流泵叶片上最大压力的位置点和最小压力的位置点,并将此2个位置点设置为监测点;步骤3)、计算出2监测点的平均压力值,对2监测点的压力时域图中各压力值进行去平均值处理,计算出2监测点的主频压力幅值,可获得轴流泵的压力幅值比;步骤4)、对多个流量工况运行的轴流泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析。通过本发明,采用该方法方便了分析轴流泵装置多个流量工况运行时轴流泵的疲劳可靠性。

Description

一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,特别是对于多流量工况运行的轴流泵站,属于泵站工程技术领域。
背景技术
轴流泵站广泛应用于农田灌溉、防洪排涝及跨流域调水等工程领域,这些泵站采用的水泵均为轴流泵,轴流泵的疲劳可靠性是影响这些泵站安全稳定运行及机组寿命的关键因素,在泵站的运行过程中,轴流泵内部的流动呈现出三维、非定常和粘性的特征,轴流泵的疲劳可靠性主要受叶轮和导叶体间的动静干涉、叶轮内部流动分离、进水条件对轴流泵受力的影响等因素,通过真泵试验无法准确获知轴流泵内流场及进水条件对轴流泵受力的分布影响,无法准确评估轴流泵的寿命可靠性,为此,水泵厂常采用加厚叶片的措施增加轴流泵的可靠性,但这会改变原轴流泵的水力性能,降低泵装置的水力效率。设计院常采用有限元的方法基于材料特性进行叶片的寿命可靠性分析,但这种方法过于理想,未能考虑水流的作用。高校研究院所多采用流固耦合方法计算轴流泵叶根处应力大小,以此分析轴流泵的疲劳可靠性,但这些方法往往耗时长,不易被工程设计人员所掌握,计算过程较为繁琐。
在当前,泵站管理单位对泵站可靠性提出了更高的要求,从工程实用角度考虑,急需一种简单易操作的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,以便于被工程设计人员所掌握。
发明内容
本发明的目的就是为解决上述问题,为解决上述问题,本发明在泵装置的三维流场数值计算的基础上,采用数值求解方法对多流量工况时泵装置的轴流泵疲劳可靠性进行分析,该方法简便,成本低,耗时短,可对任意流量工况运行时泵站的轴流泵疲劳可靠性进行分析,以满足轴流泵站运行时偶遇的极端流量工况的分析要求。
本发明的目的是这样实现的,一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1)、对轴流泵装置构建三维数学模型,根据轴流泵装置的流量工况条件,采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维定常数值计算求解,各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5,并通过监测扬程的变化,当扬程的变化趋于定值时,即该流量工况条件下数值计算满足收敛要求;
步骤2)、根据轴流泵装置的三维定常数值计算结果,确定轴流泵叶片上最大压力的位置点和最小压力的位置点,并将此2个位置点设置为监测点;
步骤3)、采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维非定常数值计算求解,各物理量的参数收敛精度均低于1.0×10-5,根据轴流泵装置的三维非定常数值计算结果的基础上获取步骤2)中2监测点的压力时域曲线,根据2监测点的压力时域曲线分别计算出2监测点的平均压力值,对2监测点的压力时域图中各压力值进行去平均值处理后采用傅里叶变换计算出2监测点的主频压力幅值,将最大压力监测点的主频压力幅值除以最小压力监测点的主频压力幅值即可获得轴流泵的压力幅值比;
步骤4)、对多个流量工况运行的轴流泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析,重复步骤1)-3),最终列表给出多个流量工况运行时泵装置的轴流泵的压力幅值比,以便于分析轴流泵的疲劳可靠性。
本发明工艺先进科学,通过本发明,一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,基于泵装置的三维定常数值计算结果,确定轴流泵叶片上最大压力和最小压力的两位置点,并将此2位置点设置为轴流泵疲劳可靠性分析的监测点,再采用数值模拟技术对泵装置进行三维非定常数值计算,依据泵装置三维非定常数值计算结果采用傅里叶变换计算出两监测点的主频压力幅值,以此计算轴流泵的压力幅值比,压力幅值比定义为压力最大监测点的主频压力幅值与压力最小监测点的主频压力幅值的比值。通过轴流泵的压力幅值比的变化情况对轴流泵疲劳可靠性进行分析。该发明的技术方案包括以下4个步骤:
(1)对轴流泵装置构建三维数学模型,根据轴流泵装置的流量工况条件,采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维定常数值计算求解,各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5,并通过监测扬程的变化,当扬程的变化趋于定值时,即该流量工况条件下数值计算满足收敛要求。
(2)根据轴流泵装置的三维定常数值计算结果,确定轴流泵叶片上最大压力的位置点和最小压力的位置点,并将此2个位置点设置为监测点。
(3)采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维非定常数值计算求解,各物理量的参数收敛精度均低于1.0×10-5,根据轴流泵装置的三维非定常数值计算结果的基础上获取步骤(2)中2监测点的压力时域曲线,根据2监测点的压力时域曲线分别计算出2监测点的平均压力值,对2监测点的压力时域图中各压力值进行去平均值处理后采用傅里叶变换计算出2监测点的主频压力幅值,将最大压力监测点的主频压力幅值除以最小压力监测点的主频压力幅值即可获得轴流泵的压力幅值比。
(4)对多个流量工况运行的轴流泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析,仅需重复步骤(1)-(3),最终列表给出多个流量工况运行时泵装置的轴流泵的压力幅值比,以供生产、设计、运行管理单位参考分析轴流泵的疲劳可靠性。
3、有益效果
采用该方法可分析轴流泵装置多个流量工况运行时轴流泵的疲劳可靠性,避免了物理模型试验耗时长,费用高的缺点,克服了真泵试验无法获知轴流泵叶片压力最大和最小位置的问题,该方法考虑了泵装置各过流部件内流的相互影响,更接近于工程实际,为生产、设计及管理单位提供更有参考的数据。
该方法简单,操作方便,易于被工程设计管理人员所掌握,不受测试设备等硬件条件的限制。
针对工期短、造价低,经费紧的泵站工程的泵装置方案比选提供了一种从轴流泵疲劳可靠性角度分析的简便方法,有利于比较不同进水流道时轴流泵的疲劳可靠性,达到确保轴流泵站安全稳定运行的目的。
轴流泵站是重要的水利基础设施,在大范围内的农田和区域抗旱、防洪排涝、城镇供水,污水排放和跨流域调水等方面均起着关键的作用。轴流泵的疲劳可靠性受到越来越多的关注,尤其在泵站科研的前期,业主方均要求进行水泵的疲劳可靠性分析,2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》中提到了灌排泵站为农业服务的重要性,水环境的综合治理以及城市防洪标准体系提高,这些社会大背景都为本发明专利的推广应用提供了机遇。本发明专利积极响应了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)所确定的“节能”优化主题。本发明专利通过基于轴流泵装置的三维数值计算结果对轴流泵疲劳可靠性进行分析,为泵装置方案比选提供了一种从轴流泵疲劳可靠性角度分析的简便方法,有利于比较不同进水流道时轴流泵的疲劳可靠性,达到确保轴流泵站安全稳定运行的目的。采用本发明专利优选的方案将有利于实际轴流泵站的安全稳定运行,节约真泵疲劳可靠性的试验成本,达到加快泵站工程进度的目的,由此将带来巨大的经济效益和社会影响。
附图说明
图1为基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析流程图。
图2为轴流泵叶片上最大压力点及最小压力点的位置。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述,一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性分析流程如图1所示。
以采用ZM3.0水力模型的轴流泵装置为例,采用三维建模软件对轴流泵装置进行三维数学模型的构建,然后采用数值模拟技术对该立式轴流泵装置进行了3个流量工况(小流量工况Q=240 L/s,最优工况320 L/s和大流量工况400 L/s)的三维定常数值计算,3个流量工况计算均满足各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5的要求,且扬程变化趋于稳定。根据3个流量工况时轴流泵装置的定常数值计算结果,确定轴流泵叶片上压力最大和压力最小两点的位置,将最大压力点记为P1,最小压力点记为P2,如图2所示。对轴流泵装置进行三维非定常数值计算,根据泵装置非定常数值计算结果,采用傅里叶变换计算最大压力点和最小压力点所对应的压力主频幅值,最后计算出3个流量工况时轴流泵的压力幅值比,如表1所示,以此供设计单位,生产及管理单位提供轴流泵叶片寿命可靠性的数据参考。
在流量工况240 L/s时,轴流泵的压力幅值比为0.074;在流量工况320 L/s时,轴流泵的压力幅值比为0.055;在流量工况400 L/s时,轴流泵的压力幅值比为0.188。在最优工况320 L/s时轴流泵的疲劳可靠性最高,偏离最优工况时轴流泵的疲劳可靠性开始降低,轴流泵的压力幅值比越大表明轴流泵的疲劳寿命越短,轴流泵受周期性水动力荷载的影响越大,提高轴流泵的疲劳可靠性应尽量避免泵装置在偏离最优工况时运行。
表1 3个流量工况时轴流泵的压力幅值比
流量工况(L/s) 轴流泵的压力幅值比
240 0.074
320 0.055
400 0.188

Claims (1)

1.一种基于泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析方法,其特征是,包括以下步骤:
步骤1)、对轴流泵装置构建三维数学模型,根据轴流泵装置的流量工况条件,采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维定常数值计算求解,各物理量的残差收敛精度均低于1.0×10-5,并通过监测扬程的变化,当扬程的变化趋于定值时,即该流量工况条件下数值计算满足收敛要求;
步骤2)、根据轴流泵装置的三维定常数值计算结果,确定轴流泵所有叶片上最大压力的位置点和最小压力的位置点,并将此2个位置点设置为监测点;
步骤3)、采用数值模拟技术对轴流泵装置进行三维非定常数值计算求解,各物理量的参数收敛精度均低于1.0×10-5,根据轴流泵装置的三维非定常数值计算结果的基础上获取步骤2)中最大压力监测点和最小压力监测点的压力时域曲线,根据最大压力监测点和最小压力监测点的压力时域曲线分别计算出最大压力监测点和最小压力监测点的平均压力值,对最大压力监测点和最小压力监测点的压力时域图中各压力值进行去平均值处理后采用傅里叶变换计算出最大压力监测点和最小压力监测点的主频压力幅值,将最大压力监测点的主频压力幅值除以最小压力监测点的主频压力幅值即可获得轴流泵的压力幅值比;
步骤4)、对多个流量工况运行的轴流泵装置的轴流泵疲劳可靠性的分析,重复步骤1)-3),最终列表给出多个流量工况运行时泵装置的轴流泵的压力幅值比,以便于分析轴流泵的疲劳可靠性。
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