山东博泵科技股份有限公司
SHANDONG BOSHAN PUMP SCIENCE AND TECHNOLOGY CO.,LTD.

摘要：离心泵是一种旋转动力泵，利用旋转叶轮来增加流体的压力。离心泵通常用于在管道系统中输送液体。流体沿旋转轴或靠近旋转轴进入泵叶轮，被叶轮加速，径向向外流入扩散体或蜗壳室（泵壳体），从那里流出进入下游管道系统。其目的是将原动机（电动机或汽轮机）的能量首先转化为速度或动能，然后再转化为被泵送流体的压力能。离心泵将电动机的机械能转换为运动流体的能量，部分能量转化为流体运动的动能，部分转化为势能，表现为流体压力或流体克服重力提升到更高位置。从叶轮的机械旋转到流体运动和压力的能量转移通常用离心力来描述，实际上，描述离心泵的作用并不需要离心力的概念。本文对MS和SS泵叶轮进行了分析，以优化离心泵的强度，还对MS和SS泵叶轮进行了静态和模态分析，以校核泵的强度和泵产生的振动。

关键词：离心泵叶轮分析优化

1. 问题识别

大多数离心泵叶轮都是由密度较大的低碳钢制成。这是造成泵重量大的主要原因。此外，低碳钢不耐腐蚀，且疲劳强度低。

可以用合金材料（如SS、铬镍铁合金、铝合金）代替低碳钢，以减轻重量、提高耐腐蚀性，而且与不同的合金材料和复合材料相比，疲劳强度更高。由于刚度较低，与复合材料和不同合金材料相比，相同材料产生的变形更大。

2. 文献综述

[1]. A Syam Prasad, BVVV Lakshmipathi Rao, A Babji, Dr P Kumar Babu, “Static and Dynamic Analysis of a Centrifugal Pump Impeller”，合金在许多工程应用中发挥着重要作用。它们具有出色的机械性能、灵活的设计能力和易于制造的特点。此外，合金还具有重量轻、耐腐蚀、抗冲击和出色的疲劳强度等优点。本文研究了由三种不同合金材料制成的离心泵叶轮的静态和模态分析（即Inconel 合金740, Incoloy 合金803, Warpaloy）。叶轮设计的最佳材料是Inconel合金 740。在静态分析中，Inconel 740 的比模量比其它材料高10 %。模态分析中的固有频率比其它材料高6 %。在静态分析中，Inconel 740 的变形量减少了12 %。

[2]. Karthik Matta, Kode Srividya, Inturi Prakash , “Static and Dynamic Response of an Impeller at Varying Effects”，叶轮是离心泵的旋转部件，通常由铁、钢、青铜、黄铜、铝或塑料制成。叶轮的建模是使用CATIA V5 R18实体建模软件完成的。建议使用复合材料设计一种离心泵，并使用有限元软件分析其强度和变形。为了评估复合材料和金属离心泵及叶轮的效果，使用了有限元分析软件包（ANSYS）。对铝制和复合材料离心泵叶轮进行了模态分析，以找出前5个固有频率。如果叶片数量和外径增加，应力和变形也会增加，所有这些都是允许的极限。总体分析结果比较发现，复合材料的变形和应力较小。

[3]. G. Kalyan, K.L.N. Murty. “Design and Optimization of Centrifugal Pump Guide Vanes”，本文使用三维建模软件Pro/Engineer对离心泵叶轮进行了设计和建模。所用材料为钢和铝。叶轮设计的优化是通过观察所做分析得出的结果来实现的。所考虑的结果是应力频率、速度、压力、流量。在ANSYS中进行分析。通过观察结构分析结果，可以发现应力随着叶片数量的增加和叶片角度的增大而增大。使用铝材料时，应力小于钢材料。通过观察模态分析结果，频率随着叶片数量的增加而降低。

[4]. Pramod J. Bachche1, R.M.Tayade, “Finite Element Analysis of Shaft of Centrifugal Pump”，离心泵是世界上最古老的抽水设备之一。本文对离心泵的轴进行了静态和动态分析。采用有限元分析技术对轴进行应力和变形分析。全部工作分两个阶段进行，第一阶段是静态分析。在这一阶段，对泵轴进行应力和变形分析，并使用图形积分法验证了相同的结果。第二阶段为动态分析，在这一阶段中，通过静态分析获得的结果将用于计算泵轴的动态力。在动态输入条件下再次对泵轴进行了分析，并使用图形积分法对分析结果进行了验证。在最小流量工况下产生最大变形和应力。最大动态变形比允许变形小 11 %，最大动态应力比允许抗拉强度小18 %。

[5]. S.Rajendran 和 K Purushothaman 博士, “Analysis of centrifugal pump impeller using ANSYS-CFX”，本文使用 ANSYS-CFX 对离心泵叶轮的设计进行了分析。离心泵是工业和家庭应用中最常见的泵。ANSYS-CFX 可以预测离心泵叶轮中复杂的内部流动。离心泵是一种动力装置。进入泵内的液体从旋转的叶轮中获得动能。叶轮的离心作用将液体加速至高速，将机械能（旋转能）传递给液体。本文讨论了离心泵叶轮的流态、叶片通道内的压力分布及叶片负载。解决了无蜗壳离心泵叶轮在设计质量流量较高时的问题。泵的总效率提高了30 %。

[6]. M.Sampathkumar, Dsvsra Varaprasad, Vijay-kumar, “Static Analysis of Centrifugal Blower Using Composite Material”，本文对使用复合材料的离心鼓风机进行了静态和模型分析。离心鼓风机用于海军应用和高噪音电动机。旋转部件产生的噪音主要是由于叶片上的随机加载力以及进气与转子叶片的周期性迭加造成的。海军应用中的现代叶片由铝或钢制成，其产生的噪音会对鼓风机附近的工作人员造成干扰。本研究的目的是观察如何选择E-Glass来替代金属，以更好地控制振动。E-Glass以其卓越的阻尼特性而闻名，与金属相比，E-Glass在减少振动方面更有前景。静态分析得出的E-Glass/环氧树脂鼓风机的应力在允许应力范围内。由于刚度高，E-Glass鼓风机的固有频率降低了16.6 % 至27.7 %。

3. 研究目标

1）通过使用MS、SS等不同材料，进行静态分析检查泵的强度。

2）使用不同材料来减轻泵的重量。

3）通过模态分析确定MS、SS的固有频率。

4. 方法

4.1 使用 CATIA V5R20 对泵叶轮进行建模

装配

图1：离心泵装配

几何形状

图2：离心泵叶轮几何形状

4.2 有限元模型

MESH GENERATION

为了进行有限元分析，我们必须将所使用的模型分成若干小块，即有限元。由于模型被分割成许多离散的部分，因此有限元分析可以说是一种离散化技术。简单地说，进行有限元分析需要一个数学网或“网格”。如果所研究的系统是一维的，我们可以使用线单元来表示几何形状并进行分析。如果问题可以用2D来描述，则需要2D网格。相应地，如果问题比较复杂，需要对连续体使用3D描述，那么我们就需要使用3D网格。面积单元的形状可以是三角形或四边形。选择单元的形状和阶数要考虑几何形状的复杂性和所建模问题的性质。膜单元没有厚度。因此，它们没有弯曲刚度；只能在单元平面上承受载荷。板壳单元用于3D空间中对薄壁区域进行建模。板单元是根据板理论制定的，该理论假定通过弯曲来承受载荷。壳体单元用于对壳体进行建模，其中结合了弯曲和薄膜作用。当平面外变形略大于板厚度时，可考虑使用板单元。此外，还有一些特殊的单元，有助于对厚板进行精确建模。如果变形大于板厚，则应考虑薄膜作用，因此应使用壳单元。壳单元节点有五个自由度，缺少的是平面内旋转自由度（有时称为钻孔自由度）。实体单元有不同的种类。轴对称单元用于描述轴对称零件的横截面。平面应变单元用于描述长物体的横截面（如轴或壁的横截面）。平面外方向的应变为零，反映了应变在一个平面内的假设。平面应力单元用于描述薄物体（如扳手）的截面。平面外方向的应力取为零，反映了应力在一个平面内的假设。

图3：2D单元

VOLUME MESHING

3D单元的形式有立方体（六面体）、3D三角形（四面体）和3D楔形（五面体）。选择单元的关键在于了解元件形状和插值阶数的作用。使用3D单元建模是最灵活的方法。这类单元适用于既无恒定截面又无对称轴的厚结构。实体建模几乎总能使分析准备工作变得更容易。网格划分和求解可能需要很长时间，尤其是薄壁结构（需要大量单元来生成网格）。3D单元如图4所示。