离心泵叶轮爆裂转速数值仿真和试验

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涡轮泵是液体火箭发动机的主要部件之-，在泵压式的推进剂供应系统中，发动机系统所需的压力主要由泵提供 .涡轮泵性能的优劣对发动机系统的影响很大，而离心泵特性的好坏又决定着涡轮泵的性能.叶轮是离心泵的核心部件，为获得最佳性能，液体火箭发动机高速离心泵大多采用装有盖板和后弯式叶片的封闭叶轮 ，见图 1(a).离心泵叶轮-旦发生破坏失效，将会引起涡轮轴系损坏，情况严重的，会导致动静件碰摩产生爆炸，进而导致热试车或者飞行任务失败.因此，在设计过程中对离心泵叶轮爆裂转速进行数值分析和爆裂试验，对液体火箭发动机的研制具有重要意义.本文以某液体火箭发动机离心泵叶轮为研究对象，基于弹塑性理论，用SimXpert对离心载荷作用下的离心泵叶轮进行数值仿真，以计算离心泵叶轮爆裂转速，并进行爆裂试验研究，将数值仿真结果与试验结果进行对比。

收稿日期：2013.04-19作者简介：张德禹(1984-)，男，山东高青人，工程师，硕士研究生，研究方向为转子动力学，(E-mail)zdyl1 s###126.comhtp：//176 计 算 机 辅 助 工 程 2013丘(a)几何模型 (b)有限元模型图1 离心泵叶轮几何模型和有限元模型Fig.1 Geomet model and finite elementmodel of centrifugal pump impeler1 弹塑性理论及有限元方程塑性变形指金属材料在载荷作用下发生不可逆永久变形的材料特性，是金属材料的典型行为.在塑性材料的典型应力-应变曲线中，屈服点以下部分为弹性区，屈服点以上部分为塑性区，塑性变形不可恢复。

屈服准则是用于与单轴测试应力相比较的应力状态标量，只需知道应力状态和屈服准则，通过 目前的有限元软件就能确定是否产生塑性应变.屈服准则的值也被称为等效应力，当超过屈服应力时才会发生塑性变形。

强化准则 描述金属材料初始屈服随塑性应变增加的变化情况，用于描述如何在塑性流动过程中修正屈服面.等向强化指屈服面以材料中所做塑性功的大小为基础在尺寸上扩张，屈服面在所有方向上均匀扩张.由于等向强化，材料在受压方向上的屈服应力等于受拉过程中所达到的最大应力。

1.1 弹塑性有限元方程的建立材料进入塑性后，应变分量总增量为弹性应变分量的增量与塑性应变分量的增量之和，sd de d 。 (1)式 中： ]d [c ]d6p ](dAdo"[C ]de([C ]-[C ])如 (3)] - c ]fL O0"lJL 0o-lJ[Co] (4)式中：4为-个与应力、温度、塑性变形和材料强化等相关的量i厂根据不同的塑性理论确定 ]。

1.2 有限元模型及边界条件建立如图 1(b)所示的三维有限元模型，采用高阶三维实体单元，在叶片前、后缘以及根部等曲率较大局部进行 网格加密，共有 183 412个单元 和319 910个节点。

约束边界条件为离心泵叶轮花键表面约束局部柱坐标系下切向自由度，前后端面约束其轴线 自由度，见图 1(b)；载荷边界条件为离心泵叶轮转速由0逐渐升高到 1，2，2.5，2.58和 2.7倍的工作转速 n。

1.3 材料性能(2)k m。，弹性模量为 195 GPa，泊松比为 0.3，材料拉伸性 能 曲线见 图 2，可 知，该材 料 的延伸 率 为15.8%，抗拉强度极限为 1 160 MPa。

图2 离心泵叶轮材料拉伸性能曲线Fig.2 Tensile performance curVe of centrifugalpump impeler material1.4 爆裂准则的选取爆裂准则可选取为：由有限元程序计算得到的离心泵叶轮材料为某高强度钢，密度为7 830 von Mises等效应力等于抗拉强度极限 ，即√2eq 了 (or1-or2) (or2-or3) (or3- 1) 6 (5)3 爆裂转速计算及结果分析基于 SimXpert得到的有限元分析结果表明，在任何转速下，离心泵叶轮最大等效应力和最大总应变均发生在长叶片根部附近.当转速达到 2.7n(Tbhtp：//为离心泵叶轮实际工作转速)时，最大 von Mises应力为1 162 MPa(见图 3)，最大总应变为 15.82%(见图4)，已经大于材料的抗拉极限 1 160 MPa和材料的最大延伸率 15.8%.根据爆裂转速准则，该液体火箭发动机离心泵叶轮的爆裂转速为2.7n。

178 计 算 机 辅 助 工 程 2013生表 1 有限元计算结果与试验结果对比Tab.1 Comparison of finite element calculationresult and test result有限元结果/(r/min) 试验结果/(r/min) 误差/%I 2.70n 2.716n 0.595 结 论建立某液体火箭发动机离心泵叶轮的有限元分析模型，基于 SimXpert对离心泵叶轮进行弹塑性有限元数值分析，计算离心泵叶轮在离心载荷作用下的爆裂转速，并与在旋转破坏试验台上得到的爆裂