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| 有限元分析 |
斜流泵广泛应用于农业排灌、城市供排水、矿山、大型水利工程以及火电站的循环水泵等领域，在国民经济建设中发挥着重要作用。随着水力机械单机容量和尺寸的增加，人们对其运行稳定性和可靠性问题日益重视。叶轮作为斜流泵的核心关键部件，其安全性和稳定性对泵机组的稳定运行和使用效率有较大影响。因此对大型斜流泵的叶轮进行强度和刚度校核具有十分重要的意义。
由于传统计算方法对叶轮模型简化较多、叶轮载荷为功率转化的均布载荷，从而使计算结果产生较大的误差，也无法准确求得最大应力的发生位置。随着ANSYS技术的发展，通过采用流固耦合方法分析旋转机械关键部件的应力与应变成为最有效的研究手段之一，陈山等使用有限元分析软件和内部流场计算软件对所设计的几个具有不同几何尺寸的离心压气机叶轮的强度和气动性能进行了计算，李燕平等利用有限元分析软件ANSYS对某农用离心风机叶轮进行了静强度分析，王洋等采用单向流固耦合方法对离心泵叶轮耦合系统进行仿真计算，廖伟丽等利用ANSYS软件分析了部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响。
在前人研究的基础上，采用单向流固耦合方法对叶轮耦合系统进行求解计算。通过对斜流泵内的全流场计算，得到设计工况下叶轮所承受的流场压力载荷，将流场计算结果作为结构场分析的加载载荷，较为准确地分析斜流泵叶轮在流场中的受力及变形情况。
利用Pro/E软件对泵的转子系统部件和过流部件内部水体进行实体建模，模型如图所示。利用ICEM软件对水体进行非结构化网格划分，为了能得到较好的网格处理结果，叶轮选用C型拓扑结构、直型导叶选用H型拓扑结构并对小面和尖角处进行局部加密处理。网格划分后进行无关性验证，当网格总数大于200万时，泵的扬程、效率变化幅度在1%以内，认为网格具有无关性。
基于CFX软件，采用SIMPLE方法求解不可压缩时均N-S方程。湍流模型选取标准k-ε模型。壁面采用无滑移边界条件，近壁区域采用标准壁面函数处理，进口采用速度进口边界条件，出口采用自由出流边界条件。
对斜流泵内部流动进行三维数值模拟，数值模拟与试验外特性性能对比如图所示。从图中可以看出，模拟值与试验值基本吻合。扬程模拟值与试验值最大相对误差为13%，效率模拟值与试验值最大相对误差为4.3%。在设计工况下，扬程与效率模拟值与试验值的相对误差分别为4.3%、4.1%，说明在设计工况附近选用的网格类型和湍流模型能够较准确预测斜流泵的外特性，具有较高的计算精度。
通过CFX-post后处理软件得到泵内部流场设计工况下的压力如图所示。
从图中可以看出，在叶片工作面，液体压力在进口边处最低，沿着液体流动方向，液体压力逐渐升高，在靠近叶片出口边的外缘处达到最大；压力在整个圆周方向呈对称分布。在叶片背面，压力相比工作面要小很多，最大压力出现在出口边。对流场数值计算得到的叶轮表面压力进行面积分获得综合轴向力，并将流场分析得到叶轮上的压力分布载荷导入模块Structural结构中进行强度分析。
