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1、本 科 毕 业 论 文题 目：多级注水泵首级叶轮应力分析学生： 学 号： 专业班级：过程装备与控制工程2008级6班指导教师： 年 月 日 / 多级注水泵首级叶轮应力分析摘 要油田投入开发以后，随着开采时间的增长，就要不断地消耗油层本身能量，油层压力就会不断下降，造成地下亏空，为了保持或提高油层压力，必须与时地用注水泵对油田实行配产配注。叶轮作为多级注水泵的重要部件，对其进行应力与变形分析，为提高多级注水泵的性能，优化叶轮结构，指导设计生产提供参考依据。本文利用大型有限元软件ANSYS13.0对叶轮结构进行有限元分析，得到了叶轮在各种载荷形式下的应力、应变与变形情况。结果表明，在各种载荷形式下
2、，叶轮的应力与变形情况均在安全围。关键词：多级注水泵；叶轮；有限元分析Analysis on the Stress in First Stage Impeller of the Multistage Injection Pump AbstractAfter oil-field devotion development,along with mine time of growth,will constantly consume oil layer energy,the pressure of oil layerwill continue todecline,resulting in the de
3、ficit of underground.In order to maintainorimprove the pressure of oil layer,mustbein a timely mannerwiththeinjection pumpontheoil field to replenish groundwater. Asan important componentofthe multistage injection pump,stressand deformation analysis of it will be the reference of it that to improvet
4、he pumps performance and the optimal design of it,also guide the production.In this paper,the finite element analysis is made to the structure of the impeller by ANSYS software,the stress and strain and deformation of the impeller are gained under the load. From the results,we can see that the force
5、and deformationoftheimpellerwithin a safe range under any form of load.Keywords:multistageinjection pump, impeller,finite element analysis目录第1章绪论11.1选题背景11.2 离心泵叶轮结构有限元分析研究进展11.3 有限元分析方法21.4 ANSYS软件简介31.4.1 ANSYS软件概述31.4.2 ANSYS软件构成31.4.3 ANSYS软件提供的分析类型41.5 本文研究容5第2章多级注水泵首级叶轮三维模型结构62.1 前言62.2 叶轮主要参数
6、机模型的创建6第3章各种载荷单独作用下叶轮受力分析83.1 前言83.2 离心惯性力单独作用下受力与变形分析83.2.1 ANSYS软件分析过程83.2.2 应力结果分析93.2.2.1 径向应力93.2.2.2 周向应力93.2.2.3 轴向应力103.2.2.4 第一主应力103.2.3 应变结果分析113.2.3.1 径向应变113.2.3.2 周向应变123.2.3.3 轴向应变123.2.3.4 第一主应变133.2.3 变形结果分析133.3 流道流体压力单独作用下受力与变形分析143.3.1 ANSYS软件分析过程143.3.2 应力结果分析153.3.2.1 径向应力153.3
7、.2.2 周向应力153.3.2.3 轴向应力163.3.2.4 第一主应力163.3.3 应变结果分析173.3.3.1 径向应变173.3.3.2 周向应变173.3.3.3 轴向应变183.3.3.4 第一主应变183.3.4 变形结果分析193.4 前后盖板外侧压力单独作用下受力与变形分析193.4.1 ANSYS软件分析过程193.4.2 应力结果分析203.4.2.1 径向应力203.4.2.2 周向应力213.4.2.3第一主应力213.4.3 应变结果分析213.4.3.1 径向应变213.4.3.2 周向应变223.4.3.3 第一主应变223.4.4 变形结果分析233.5
8、 圆盘摩擦力单独作用下受力与变形分析233.5.1 ANSYS软件分析过程233.5.2 应力结果分析253.5.3 应变结果分析263.5.4 变形结果分析263.6 本章小结26第4章多载联合作用下叶轮受力分析274.1 前言274.2 ANSYS分析过程274.3 应力结果分析274.3.1径向应力274.3.2周向应力284.3.3径向应力284.3.4第一主应力294.4 应变结果分析294.4.1 径向应变294.4.2 周向应变294.4.2轴向应变304.4.3第一主应变304.4 变形结果分析314.5 本章小结31第5章结论和展望325.1 结论325.1 展望32致33参
9、考文献34第1章 绪论1.1 选题背景油田投入开发以后，随着开采时间的增长，就要不断地消耗油层本身能量，油层压力就会不断下降，造成地下亏空，为了保持或提高油层压力，必须与时地用注水泵对油田实行配产配注，注水泵运行是否平稳直接影响到是否能保证定时定量的向地下注水，是否能保证油田稳产、高产，因此为了保证油田稳产、高产，必须保证注水泵安全平稳的运行1。 叶轮作为将原动机动力转化为流体机械能的重要部件，按其机械结构可分为闭式、半闭式和开式三种2。闭式叶轮适用于输送清洁液体；半闭式和开式叶轮适用于输送含有固体颗粒的悬浮液，这类泵的效率低。按吸液方式不同可将叶轮分为单吸式与双吸式两种，单吸式叶轮结构简单，
10、液体只能从一侧吸入。双吸式叶轮可同时从叶轮两侧对称地吸入液体，它不仅具有较大的吸液能力，而且基本上消除了轴向推力。根据叶轮上叶片上的几何形状，可将叶片分为后弯、径向和前弯三种，由于后弯叶片有利于液体的动能转换为静压能，故而被广泛采用。本文中所涉与到的多级注水泵叶轮为闭式单吸后弯叶轮，其工作特点是转速高，额定转速为2950r/min，工作压力等级高，达1.4MPa，因此该叶轮是多级注水泵结构分析中的重点。针对叶轮工作状态下的载荷形式对其进行受力与变形分析，对于提高多级注水泵的性能，优化结构，指导设计生产具有重要意义。本文采用有限元分析软件ANSYS对多级注水泵叶轮进行静力学分析，以得到其应力与变
11、形结果，找出应力集中点，分析其可靠性，为泵的优化设计提供参考依据。1.2 离心泵叶轮结构有限元分析研究进展与传统方法相比，用有限元法进行结构分析具有很多优点。传统方法对叶轮这样具有复杂形状的部件进行强度计算时，只能采用简化和近似的方法，尤其是对于例如叶片端部与前、后盖板交界处这样细微部分进行分析时很难得到精确结论，然而此处往往是应力集中问题发生的区域。随着ANSYS、ABAQUS等有限元软件的发展，使叶轮这样的复杂模型的有限元分析结果更加精确。2008年，唐立新3等依据FLUENT得出的叶轮流道流体压力分布结果，在ANSYS软件中对某型汽轮机主油泵双吸式叶轮分别在离心惯性力、流道流体压力分别作
12、用与两种载荷耦合作用下进行结构静力学分析，得出叶轮的应力分布与变形结果。针对应力集中问题进行分析，为叶轮的优化设计提供理论数据依据。2011年，董晓岚4采用流固耦合分析法对离心泵叶轮的强度和刚度进行仿真，采用多帧参照技术对叶轮-蜗壳动静干涉进行模拟。在FLUENT流体力学分析中，获得叶片和轮毂压力和剪应力分布，使用ABAQUS软件分析叶轮在流道流体压力、剪应力和离心惯性力共同作用下的应力分布与整体变形结果。针对分析结果分析得出：相对于压力，剪应力对叶轮变形影响微不足道；叶轮结构在设计工况下结构安全；叶轮最高转速可达到1780r/min。如果应力却维持在一个较低的水平，离心泵转速提高，叶轮会与蜗
13、壳发生干涉，并在保证叶轮的强度和刚度条件下提出叶轮的改进方案。2011年，周玉丰5以LB50160型离心泵的叶轮为分析对象，利用ANSYS软件对叶轮在流道流体压力和离心惯性力共同作用下进行应力结果分析，得出应力分布结果与规律，为叶轮盖板的强度计算提供了可靠依据，验证了有限元建模方法和计算方法的正确性，为进行不同类型的有限元分析和优化设计提供了参考。2011年，王洋6等在ANSYS Workbench软件中，采用单向流固耦合方法对冲压焊接叶轮在流场中的应力与变形情况进行仿真计算。结果表明，各工况流量下，叶轮应力分布明显不均，并在局部出现应力集中。叶轮变形的总位移随半径的增大不断变大，并在叶轮边缘
14、达到最大值。根据仿真模拟结果对提高叶轮可靠性问题提出解决方案，计算结果为冲压焊接叶轮的结构设计与分析提供有效依据。1.3 有限元分析方法有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上，由此产生了一个方程组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。有限元分析的精确度无法无限提高。元的数目到达一定高度后解的精确度不再提高，只有计算时间不断提高7。在实践中，有限元分析法通常由三个主要步骤组成8
15、：1、前处理：用户需建立物体待分析部分的模型，在此模型中，该部分的几何形状被分割成若干个离散的子区域或称为“单元”。各单元在一些称为“结点”的离散点上相互连接。这些结点中有的有固定的位移，而其余的有给定的载荷。准备这样的模型可能极其耗费时间，所以商用程序之间的相互竞争就在于：如何用最友好的图形化界面的“前处理模块”，来帮助用户完成这项繁琐乏味的工作。有些预处理模块作为计算机化的画图和设计过程的组成部分，可在先前存在的CAD文件中覆盖网格，因而可以方便地完成有限元分析。2、分析：把预处理模块准备好的数据输入到有限元程序中，从而构成并求解用线性或非线性代数方程表示的系统（1-1）式中，u 和f 分别为各结点的位移和作用的外力。矩阵K的形式取决于求解问题的类型，本模块将概述桁架与线弹性体应力分析的方法。商用程序可能带有非常大的单元库，不同类型的单元适用于围广泛的各类问题。有限元法的主要优点之一就是：许多不同类型的问题都可用一样的程序来处理，区别仅在于从单元库中指定适合于不同问题的单元类型。3
