雙吸式離心泵的抗震性能以及自吸離心泵幾條重要性能

2021/04/07

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     在傳統的泵強度和抗震性能分析中，一般都采用殼單元，按統一的厚度進行簡化計算，但實際上泵殼各部分的厚度是不均勻的，因此使用統一厚度的殼單元對泵進行計算分析是一種近似，這就勢必會影響分析結果的精度。

　　雙吸式離心泵具有渦室形狀復雜，多流道等特征，其三維造型和性能分析涉及到的問題較多，在泵的三維造型和分析中具有普遍性。本文針對某型號雙吸式離心泵進行了全三維造型，并按照有關規范要求對其進行了抗震性能分析。分析結果表明，該泵能夠滿足相關規范的要求。

　　1、泵的使用情況

　　該泵為單級、雙吸、中開式離心泵，泵體和電動機分別通過4個M36的螺栓固定于機座上，泵吸入和吸出口方向均為水平軸向。額定轉速為1500r/min，設計壓力為O.8MPa，介質溫度為45℃。泵體材料為18Cr8Nio泵機組安裝于地下室一7.5m標高上，水泵安全等級為3級，電動機安全等級為1E級，泵/電機機組的抗震類別為Ⅰ類。

　　2、三維模型的建立

　　為保證計算結果的準確性，本文使用PrO/E軟件根據制造廠商提供的實際泵尺寸，建立了和實際泵完全一致的全三維模型。三維造型中的關鍵是曲線曲面的數學表述問題，在該雙吸式離心泵三維造型中，采用了非均勻有理化B樣條的方法。

　　建立泵體輪廓模型時，首先利用描點法生成各截面上的關鍵點，然后利用NURBS法生成截面的輪廓，zui后運用掃描成型功能得到泵體模型，泵的入水口和出水口部分采用簡單的旋轉生成。圖1為根據圖紙建立的泵體全三維模型。

　　3、有限元分析

　　（1）有限元網格的劃分。實體建模后，將模型導入有限元前后處理軟件MSC/MARC中，進行有限元網格劃分，單元類型為八節點四面體單元，共有16724個單元，26183個節點。有限元模型如圖2所示。它包含了泵體和出入口法蘭。泵體內的水的質量被平均分配到泵體上。

　　（2）載荷約束條件。泵模型的底座與一塊鋼板剛性相連，在泵內部存在著大小為0.8MPa的內壓，入口和出口的法蘭面上承受螺栓預緊力，螺栓預緊力包括密封法蘭所需的力和平衡內壓所需的力，而且在法蘭密封面上承受密封所需的力。

　　在泵的出水口和入水口各有一組接管力，接管載荷的大小如表1所示。對于接管力的施加，其力的部分，采用對法蘭平面上的結點平均分配力的方法進行施加。而對于接管力的力矩部分，以力偶形式加在結點上。

　　對于地震載荷的施加，可以根據泵安裝廠房一7.5m標高的SSE地震樓層譜進行確定，使用時應再乘以1.5的系數。其反應譜zui大加速度X方向為0.8g，Y方向為0.8g, Z方向為0.5g， g為重力加速度，為9.8m/s2。在實際計算中，3個方向都按1.5g給定，這樣計算結果就偏于保守。

　　（3）計算結果分析。首先進行模態分析，分析得到*階整體振動模態的頻率為54Hz，超過33.4Hz，故知設備為剛性結構。因此泵體的抗震分析可以采用等效靜力法進行分析。

　　泵體的Tresca應力分布和變形狀況如圖3、4所示，由分析結果可見，泵體大部分Tresca應力在3.5～10MPa范圍內，只是在兩側的約束點處Tresca應力達到了53.1MPa，這是約束導致的應力集中，屬于二次應力加峰值應力。如果不考慮應力集中，泵體zui大Tresca應力為了31MPa。泵體的zui大變形為0.08mm，發生在入口法蘭邊緣。

　　入口法蘭的Tresca應力分布如圖5所示，由分析結果可見，入口法蘭zui大Tresca應力為53.1MPa，發生在施加接管載荷點上，這是約束導致的應力集中，屬于二次應力加峰值應力。除了這些點，大部分Tresca應力為3.5~9 MPa左右。

　　出口法蘭的Tresca應力分布如圖6所示，出口法蘭zui大Tress。應力為30 MPa，發生在施加接管載荷點上，這也是約束導致的應力集中。除此之外大部分Tresca應力為5-9 MPa左右。

　　由以上結果可知，泵體、入口法蘭、出口法蘭在自重，接管載荷，螺栓預緊力和地震載荷同時作用下都遠遠小于材料的應力極限值133 MPa，該泵的承壓部分滿足ASME3級部件的要求，因此滿足了在地震下的結構和受壓邊界完整性要求。

　　4、結論

　　（1）分析表明。該泵的動力學性能對抗震性能影響較小，可用等效靜力的方法分析抗震性能。

　　（2）有限元分析計算結果表明泵體所有節點應力均遠小于ASME規范的要求，變形量也在要求的范圍之內。

　　（3）計算中采用了放大加速度值的做法來提高地震力，計算結果表明應力能夠滿足要求，證明該泵不僅能滿足地震條件下壓力邊界的完整性，而且能滿足可運行性的要求。

自吸式離心油泵的性能參數如流量Q 揚程H 軸功率N 轉速n效率η之間存在的一定的關系。他們之間的量值變化關系用曲線來表示，這種曲線就稱為水泵的性能曲線。
    離心泵的性能參數之間的相互變化關系及相互制約性：首先以該水泵的額頂轉速為先決條件的。
    離心油泵性能曲線主要有三條曲線：流量—揚程曲線，流量—功率曲線，流量—效率曲線。
    A、流量—揚程特性曲線
    它是自吸離心泵的基本的性能曲線。比轉速小于80的自吸離心泵具有上升和下降的特點（既中間凸起，兩邊下彎），稱駝峰性能曲線。比轉速在80～150之間的自吸離心泵具有平坦的性能曲線。比轉數在150以上的自吸離心泵具有陡降性能曲線。一般的說，當流量小時，揚程就高，隨著流量的增加揚程就逐漸下降。 
    B、流量—功率曲線
    軸功率是隨著流量而增加的，當流量Q=0時，相應的軸功率并不等于零，而為一定值（約正常運行的60%左右）。這個功率主要消耗于機械損失上。此時水泵里是充滿水的，如果長時間的運行，會導致泵內溫度不斷升高，泵殼，軸承會發熱，嚴重時可能使泵體熱力變形，我們稱為悶水頭，此時揚程為zui大值，當出水閥逐漸打開時，流量就會逐漸增加，軸功率亦緩慢的增加。
    C、流量—效率曲線
    它的曲線象山頭形狀，當流量為零時，效率也等于零，隨著流量的增大，效率也逐漸的增加，但增加到一定數值之后效率就下降了，效率有一個zui高值，在zui率點附近，效率都比較高，這個區域稱為率區。