关于离心泵叶轮的结构优化方法与相关的系统动力学

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

垫! ：塑Science and Technology lnnovation Herald 工 业 技 术关于离心泵叶轮韵结构优化方法与相关的系统动力学王杰’ 刘应(1．中南大学 湖南长沙，410083； 2．湖南石油化工职业技术学院 湖南岳阳 414012)摘 要：关于叶轮对于离心泵的重要性不言而喻，所以叶轮结构的优化过程在离心泵的优化过程中占据了核心地位，而对于离心泵相关的秉统动力学的分析同样也对离心泵的改进有很大的影响。该文对离心泵的结构优化将提出一些粗浅的意见，也会对相关的系统动力学作出相关的分析。

关键词：离心泵叶轮 结构优化 系统动力中图分类号：TH311 文献标识码：A 文章编号：1674—098x(2013)07(a)。-0084—01关于离心泵叶轮的优化方法有两种，其中一种 是在现存在的相关系列的离心泵叶轮的基础之上，再计算相关的部件的尺寸，通过这 样相似性原理的方法称 为速度系数法。另一种方法是通过相似的离心泵叶轮，或者放 大或 者缩小来达 到所要求的离心泵叶轮，这种方法称为相似换算法。这两种 方法各有优劣，这就对设计人员提出了比较高的 要求 ，要求设 计人员熟知理 论知识也 要掌 握丰富 的经验，在这个基础 之上将 离心泵叶轮进行优化。

1关于相关的数学模型的分析1．1关于离心泵叶轮的目标函数的分析所谓的目标函数就是一种 定量的分析离心泵叶轮 的方式。通过 这种精 确的 方式 ，可 以很明显的判 断出该叶轮 的好坏 ，也可以 明显 地发现不足 ，发现 具体是哪个部 分出现不足 然后改进 。在 工业 生产中，效率 是普遍要 求的，所以 如何提 高离心 泵叶 轮的效率 是十分重要 的，关于离心泵 叶轮的 效率公式 为：P=Pm+Ph+PV=Pm+QgqHt+QgQ(Ht—H)关于公式中的P1所代指的是由于圆盘的摩擦而损失的功率，P2所代指是由于轴承的密封部分的摩擦而损失的功率，这两部分共同组成了机械所有的因为摩擦而损失的功率。Ph所代指的是因为水力所损失的功率，而因为容积的变化而损失的功率的部分则用PV表示。在这个目标 函数 的基本公式中要想 将最 终的功率 算出来，应该将Pl、P2分别带入，然后结合离心泵叶轮的自身的特点便可以得出相应的公式。通过相应的计算我们便可以得到我们需要 的功率。

1．2关于离心泵叶轮设计公式的分析关 于离 心 泵 叶轮 的 水 力方 面的影 响因素 比较 多，很 多情 况下，我们 无法 一一分析他们对于叶轮的影响，所以在工程应 用时 我 们会 选择几 个对 于叶 轮影 响 比较大的因素进行一定的分析。相关的公式X=【D0，b1，D2，b2，B2，Z】T=[Xl，x2，x3，x4，x5，x6]T。其中公式中的DO，D2分别为离心 泵叶轮 的进 出口的 直径 ，而 公式中的bl，b2则为离心泵叶片的进出口的宽度，B2作为叶片的出I：1角，Z是整个叶轮的叶片数，这六个参 数都是所需要 设计 的变 量，确定了这几个变量以后，将其他的参数在设计 的过程中可以当作常量来利用，很多情况下，设计 的过程不是一成不 变的，所以这就要求设计者要有丰富的经验，通过经验的积累再结合实际的理论确定一个比较安全可靠的模型。

1．3关于离心泵叶轮约束条件的分析在设计过程中，变量的范围不可能是无穷的，它会拥有一定的范围，所以这个变量的设计范围也是很重要的，它的范围既不能太窄也不能太 宽，如 果太窄会使结果 的可能性也随 之变 小，很 多优化的部 分会被 遗漏，但是过于宽的话 会使很多不合适 的数据进入选择的范 围，可能会导致安全与质量方面的问题。设计 出来的叶轮也不会 符合设计的一般规 律。它 的约束的公式为 ：1．1小于等于wl／w2大于等于1．6，它的度数要求是l7到32度，而对于齿轮的要求是齿轮数在3到8之间选择。

2 关于离心泵叶轮的部分系统动力的分析2．1 关于离心泵叶轮危险点的应力安全性的计算在我们进行 叶轮 的计算时应该 注意不能超过叶轮的疲劳强度，在材料力学的范畴内涉及到很多关于如何来确保安全 性的问题。叶轮焊接处是容易发生安全隐患的地方，也就是所谓的危险点。叶轮焊接处的疲劳极限是可以通过相关的资料查得的，所以我们在设计 时只有在保证所受 的力在这个范围以内才能保证叶轮不受损害，实际上，按照设计图纸，叶轮的叶片根部有半径为5 mm的焊缝 ，由于在前面的计算中，计算模型叶片的根部没有倒角，即没有焊缝，需要用动力放大系数的方法计算结构热点应力。首先应该先 确定叶轮的放大系数，在叶轮上没有倒角的部分上加上一定的静力，再作出一定的分析得到在这种情况下的模拟的放大 系数 。在得到相应的模拟 放大系数后，再得到相应的危险点的应力。所得到的应力一般是不确定的，是有一定范围的。

只要不超过一定的范围都是可以的。

2．2叶轮发生共振的条件共振就是某种力的频率与某些构件的频率一样，共振的损害是很大的。物理学中的知识告诉我们，当一支部队骑马经过一座跨海大桥时，如果马蹄的频率与大桥的固有频率一致，可能会使大桥发生坍塌，这个故事告诉我们 ，共振 是工程中应该尽力避免的问题。根据经验的结 果，虚拟的共振的频率是892．3l Hz，这个频率与叶轮的第九阶的固有频率是一致的，这就说明叶轮会在这 种情况下发生共 振 。在实际工况 下尾流84 科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald激振力频率为ll66．7 H z，与叶轮的第28阶自振频率 l179 H Z相差仅 1．0％，远小于10％隔离裕度，但是通过谐响应分析得到动力放大系数为1．56，说明并没有发生破 坏性共振 。这 就说明对于叶轮这种对称 性结构来说即使频率达到或者接近叶轮的固有频率也不会发生 共振 。那 么叶轮共振 的条件到底是什 么，我国的学者 针对 叶轮 的特 殊构造提出了三重共振的理论。只有在满足一定的条件之下才会发生共振 破坏 。三重共振的理论为：叶片组的节径数为m的振型的自然频 率 ‘|)m等 于激振力第 k阶谐 波的频率k∞，即 03m=k∞，节径数 m等于谐波数k，即m=k针对 本文的问题 ，即使 在这样的条件下也 基本上不会完全满足共振的条件，所以大多数情况下共振是不会发生的。

3结语该文，重点讨论了离心泵叶轮的结构优化，在优化的部分，我们用的是一种定量的公式分析的方法，在公式的应用时，因为涉及到的影 响 因素 比较 多，我们不能一 一考虑，所以我们会忽略一些因素，只考虑重点因素，当然公式分析也具有自己的优越性，它可以定量的分析出叶轮所具有的不足之处然后进行 改进 。然后 该文也对离心泵叶轮的动 力学系统进行了一定 的分析，重点讨论了危险应 力的计算 ，且在实际施工时应该使叶轮的受力在极限应力的范围内，也重点讨论了共振，因为共振在工程中的危害是不可小觑的。无论如何，实用性与安全性总是放在首位的。而且 ，在实用方面对设计时提出了比较高的要求，因为叶轮的设计不是一成不变的 ，所 以这就要求设计 师应 该掌握大量的理 论知识 ，然 后与丰富 的经验 相结合，设计 出合理的离心泵叶轮 。

参考文献[1】刘会 海，王福军 ．低比转速 离心泵主要几何参 数的病 态整优化计算方法[J】．农业机械学报，l987(4)：32-36.

【2]陆伟刚，施卫东，张金凤，等．一种叶轮自身平衡轴向力的多级离心泵：中国，20O6lO038596[P]．2006-08-09.

【3】李嵩，瞿鑫，朱之墀．考虑气动载荷的轴流通风机叶轮强度的有限元分析【J】．风机技 术，2004(2)：l1-15