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泵体静力有限元分析及密封性能分析

发布于:2018-02-08 20:47
有限元分析

      离心泵广泛用于石油、化学和天然气等各行业,若不能保证强度和密封性,会导致工作介质泄露,不仅造成环境污染,甚至危及人体健康与生命安全。传统离心泵设计靠水压试验来验证泵体强度和密封性、设计的合理性和可靠性,不仅研发周期长、成本高,而且难以保证质量。再之,水压试验一般由检测人员用肉眼观察密封面是否渗漏等,检查人员的观测技巧不同,测试结果不完全相同。因此,如何精确定量分析泵体的应力和变形有限元分析,以此引导结构设计和提高运行中泵体的安全可靠性,具有十分重要的意义。
      长期以来,泵体的设计基本上是根据经验和参考以往的一些设计进行的,但是随着离心泵向大功率、高扬程、高转速方向发展,由于泵体本身承载和结构的复杂性,仅靠经验设计己不能满足泵体安全性等要求。采用有限元分析辅助水压试验来验证设计,不仅可以缩短研发周期,还可减少反复试制的风险,节约成本。目前,已有不少学者对不同设备的水压试验进行了模拟分析,参考3种计算壁厚的经验公式基础上,对水平中开多级泵壳体进行水压试验数值模拟,校核了壳体壁厚的强度、刚度,并对壳体进行了加强肋和提高受力螺栓性能等级的结构改进设计;在某型号螺杆压缩机设计中,通过有限元模拟对铸件壳体进行了刚强度、动态响应和声辐射仿真分析及优化设计;利用分析AppABAQUS对某型号的旋转防喷器壳体进行了模拟分析,得出了壳体在静水试验条件下的应力分布规律并进行了结构优化,为壳体的进一步改进设计提供了理论依据。
      结合某汽轮机组配套的高压主油泵研制过程中需要预评估中分面密封性能和壳体的可靠性,并进行结构优化的实际工程问题,在充分考虑壳体中分面接触问题、法兰和螺栓接触问题以及螺栓预紧力对结构强度的影响的基础上,对泵体在极限水压条件下进行数值仿真。分析整个泵体的刚强度和密封性,以大大减少水压试验的工作量,并优化泵体和联接设计。
      在完成了185 MW汽轮机组配套的高压主油泵流体动力学设计后,在泵腔流道的基础上初步设计出泵体。采用NX4. 0App建立数值模拟所需的几何模型。
      泵体剖分方式为水平中开式,中分面将泵体分为上下两部分,中分面用4颗长螺栓(M24)和10颗法兰螺栓(M30)联接,出口用8颗法兰螺栓( M22 )与封板联接。由于本研究中不考虑局部螺纹联接情况,因此将螺栓和螺纹孔简化为螺杆和光孔,并将螺母和螺杆豁结为一体进行处理。同时对一些倒角等结构进行简化,以便提高有限元分析时的计算速度。泵盖、底座所用材料为QT400,螺栓所用材料为25CrMoVA。
      网格划分是仿真模拟极其重要的部分,网格质量的优劣直接影响计算的精度和结果的准确性。基于ANSYS Workbench平台,采用自动网格划分,并对法兰和螺栓接触面、泵体中分面等关键部位进行局部加密。共划分节点数(nodes)为312778,单元数(elements)为171643。


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