朱榮生，陳一鳴*，安策，康俊鋆，龍?jiān)?，葛?/p>

(1. 江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 2. 新界泵業(yè)集團(tuán)股份有限公司， 浙江 溫嶺 317500)

高溫熔鹽泵是諸多化工流程中的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于輸送高溫硝酸鹽、氟鹽、離子膜燒堿等，在工業(yè)制鋁、制鹽、制堿和尿素等領(lǐng)域中被廣泛使用.近年來，高溫熔鹽在新型光伏儲(chǔ)熱電站以及核能領(lǐng)域也開始得到了推廣應(yīng)用[1-3].由于工業(yè)用高溫熔鹽泵輸送介質(zhì)的溫度通常為400～460 ℃[4]，對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求較高，因此對(duì)高溫熔鹽泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析具有重要意義.

在流體機(jī)械領(lǐng)域，最初是在常溫工況下研究有無流固耦合作用對(duì)流體機(jī)械內(nèi)的流場(chǎng)分布和固體結(jié)構(gòu)的影響.袁壽其等[5]以螺旋離心泵為研究對(duì)象，對(duì)比分析了有無流固耦合作用時(shí)泵內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，研究結(jié)果表明流固耦合作用加劇了泵進(jìn)口處的壓力波動(dòng)，增加了葉輪內(nèi)的流動(dòng)不對(duì)稱性.高海司等[6]應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)某型號(hào)混流泵進(jìn)行流固耦合分析，得到流體對(duì)葉輪的流固耦合作用力，并運(yùn)用ANSYS Workbench 有限元軟件和APDL 命令流耦合的方法，分析了葉輪部件的干模態(tài)和濕模態(tài)特性.王海宇等[7]采用單向流固耦合的方法對(duì)3種蝸殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形、等效應(yīng)力和模態(tài)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并分析了研究蝸殼和超厚離心泵葉片匹配時(shí)的應(yīng)力分布和變形規(guī)律.施衛(wèi)東等[8]對(duì)軸流泵葉片的應(yīng)力及變形進(jìn)行了雙向順序流固耦合聯(lián)合求解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在流固耦合作用下軸流泵葉片的最大位移發(fā)生在葉片進(jìn)水邊輪緣處，葉片的應(yīng)力和變形均隨軸流泵流量的增大而逐漸減小.

隨著研究的深入，越來越多的學(xué)者注意到溫度場(chǎng)對(duì)流體域和固體域的影響，開始利用熱固耦合和流固熱耦合等方法來研究流體機(jī)械結(jié)構(gòu)及其零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.國外學(xué)者PITA等[9]、PIRONKOV[10]、TAKIZAWA等[11]分別編寫了相應(yīng)的程序，采用流固熱方法研究二維圓管及平板等物體在高溫流體作用下的變形及應(yīng)力分布.SENN等[12]對(duì)渦輪增壓器中流體與固體的相互作用進(jìn)行了預(yù)測(cè).RICE等[13]對(duì)蒸汽輪機(jī)末極長轉(zhuǎn)動(dòng)葉片在高流量工況下的葉片顫振進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了引起不穩(wěn)定氣動(dòng)的原因.國內(nèi)的學(xué)者多采用成熟的商業(yè)軟件進(jìn)行相關(guān)研究：孔繁余等[14-15]采用熱固耦合和流熱固對(duì)泵體和葉輪進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，獲得了固體結(jié)構(gòu)的變形情況和應(yīng)力分布規(guī)律，同時(shí)校核了泵的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；劉厚林等[16]應(yīng)用流固耦合技術(shù)，對(duì)冶金用熱水循環(huán)泵有無預(yù)應(yīng)力時(shí)的模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比分析了不同環(huán)境下轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件的各階固有頻率及振幅．

綜上所述，由于高溫熔鹽與普通清水相比，其密度更大，內(nèi)部流動(dòng)更為復(fù)雜，且在高溫環(huán)境運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子部件受泵內(nèi)壓力和高溫的影響變形較大，因此在對(duì)熔鹽泵進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析時(shí)應(yīng)考慮溫度和流場(chǎng)的影響.

文中基于ANSYS Workbench平臺(tái)，以高溫熔鹽泵轉(zhuǎn)子部件為研究對(duì)象，綜合考慮高溫熔鹽泵的水動(dòng)力載荷、離心力載荷、溫度載荷，建立熱、流、固耦合作用下動(dòng)力學(xué)模型，在3種溫度工況下采用3種不同的材料進(jìn)行流熱固耦合數(shù)值計(jì)算，研究溫度熔鹽泵結(jié)構(gòu)材料性能的影響，并對(duì)高溫熔鹽泵轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行應(yīng)力分析.

1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

所研究高溫熔鹽泵模型的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為額定流量Qd=20.2 m3/h，額定揚(yáng)程Hd=8 m，轉(zhuǎn)速n=1 450 r/min，葉輪葉片數(shù)Zi=6，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zg=7.

高溫熔鹽泵模型采用閉式葉輪及空間導(dǎo)葉，泵軸采用懸臂式結(jié)構(gòu).在葉輪一側(cè)存在2個(gè)軸承安裝位置，其中靠近葉輪的軸承處安裝松軸承，遠(yuǎn)離葉輪的軸承處安裝緊軸承.泵水力結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 高溫熔鹽泵水力部件結(jié)構(gòu)

由于工作介質(zhì)為高溫熔鹽，為了使轉(zhuǎn)動(dòng)部件具有較好的力學(xué)和耐高溫性能，葉輪和泵軸的材料分別選用不銹鋼材料316L,347,420，其不同溫度時(shí)的物性參數(shù)如表1所示.表中E為彈性模量，σs為屈服強(qiáng)度.

表1 不同溫度時(shí)不同材料的物性參數(shù)

為了準(zhǔn)確描述流體的真實(shí)流動(dòng)情況，將整個(gè)流動(dòng)區(qū)域作為數(shù)值計(jì)算區(qū)域.為了減少流動(dòng)不穩(wěn)定性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，提高計(jì)算精度，將泵的進(jìn)、出口管適當(dāng)延長為4倍管徑.計(jì)算域包括進(jìn)口段、葉輪、空間導(dǎo)葉和出口段，整個(gè)過流部件的組合水體如圖2所示.

圖2 高溫熔鹽泵的組合水體

1.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格相關(guān)性分析

采用ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度，對(duì)葉輪和空間導(dǎo)葉進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對(duì)進(jìn)出口段進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對(duì)交界面等部分水體網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，保證所有網(wǎng)格質(zhì)量均在0.3以上.圖3為裝配體的網(wǎng)格劃分圖.

圖3 裝配體網(wǎng)格劃分

對(duì)模型劃分6套不同的網(wǎng)格方案，并以不同方案的效率預(yù)測(cè)偏差在1%內(nèi)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢查.圖4為熔鹽泵的水力效率η與網(wǎng)格數(shù)N之間的關(guān)系，可以看出，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)在165萬以上時(shí)，計(jì)算模型的水力效率基本保持不變，因此可認(rèn)為此時(shí)網(wǎng)格數(shù)對(duì)模擬計(jì)算準(zhǔn)確性及精度的影響已較小.綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，最終選擇的網(wǎng)格方案為進(jìn)水段、葉輪、空間導(dǎo)葉和出水段的網(wǎng)格數(shù)分別為61 259，1 253 692，256 931和82 694.

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 流場(chǎng)計(jì)算設(shè)置

應(yīng)用ANSYS CFX 14.5軟件對(duì)泵三維非定常流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型.采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，其中壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式.采用定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件.

進(jìn)口邊界條件設(shè)為總壓進(jìn)口，由試驗(yàn)測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算.邊界條件采用質(zhì)量流量出口，由流量計(jì)測(cè)量并計(jì)算得出.固體壁面為無滑移邊界條件.葉輪流道內(nèi)的水體為旋轉(zhuǎn)體，空間導(dǎo)葉流道內(nèi)的水體為非旋轉(zhuǎn)體，葉輪和空間導(dǎo)葉之間的交界面設(shè)置為“Frozen Rotor”模式.除了交界面以外的所有壁面均設(shè)定為無滑移壁面，壁面粗糙度為0.05 mm.所有計(jì)算區(qū)域的參考?jí)毫υO(shè)置為0，則CFX求解得到的壓力即為絕對(duì)壓力值.由于本計(jì)算的進(jìn)出口邊界條件完全依據(jù)試驗(yàn)值來設(shè)置，則計(jì)算時(shí)的工況與試驗(yàn)工況一致.

瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長根據(jù)每步葉輪旋轉(zhuǎn)的角度確定，葉輪每轉(zhuǎn)3°為1個(gè)時(shí)間步長，即1個(gè)葉輪旋轉(zhuǎn)周期包含120個(gè)時(shí)間步長.對(duì)于額定轉(zhuǎn)速n=1 490 r/min，單位時(shí)間步長為347.225μs.此外，每個(gè)時(shí)間步內(nèi)設(shè)置最大迭代步數(shù)為10，迭代收斂標(biāo)準(zhǔn)為最大殘差，達(dá)到10-5.考慮到動(dòng)靜干涉作用及頻域范圍可知，該計(jì)算精度完全可以滿足對(duì)動(dòng)靜干涉作用非定常分量的捕捉.

計(jì)算工況選擇3種溫度狀態(tài)(300，400，500 ℃)和3種流量(0.4Qd，1.0Qd，1.3Qd).

2.2 轉(zhuǎn)子模型建立及載荷施加

通過在不同工況下對(duì)高溫熔巖泵的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行單向流固耦合計(jì)算，分析轉(zhuǎn)子部件在各類載荷的共同作用下的應(yīng)力分布、應(yīng)變分布和強(qiáng)度分析.

為了獲得正交性較好的有限元網(wǎng)格，固體模型采用由ANSYS Structure Mesher生成的Hex六面體網(wǎng)格，在部分關(guān)鍵位置進(jìn)行了網(wǎng)格自動(dòng)加密，可以很好地描述轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié).經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，得到固體域網(wǎng)格數(shù)為12萬.

在 ANSYS Workbench 軟件中通過定義重力的方向和加速度大小來實(shí)現(xiàn)重力載荷的施加.在模型泵軸上安裝軸承的2個(gè)面施加圓柱約束，整體施加重力載荷，轉(zhuǎn)動(dòng)部件施加離心力載荷，在與軸承內(nèi)圈配合處的軸肩處添加無摩擦約束，以限制重力方向上的位移.載荷的施加如圖5所示.

圖5 轉(zhuǎn)子部件的約束布置

為了準(zhǔn)確地傳遞載荷作用，在設(shè)置過程中需要將所有的耦合面進(jìn)行準(zhǔn)確地一一對(duì)應(yīng)，文中共設(shè)置了5組耦合面，分別為葉輪葉片表面、前蓋板內(nèi)表面、前蓋板外表面、后蓋板內(nèi)表面、后蓋板外表面.

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，對(duì)模型泵用常溫水進(jìn)行外特性試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示.

圖6 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖7為模型泵外特性數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以看出：數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的趨勢(shì)基本一致；在0.2Qd～1.2Qd流量內(nèi)，揚(yáng)程和效率的相對(duì)偏差值分別在5%和3%以內(nèi)；在1.0Qd時(shí)，效率值和揚(yáng)程值的相對(duì)誤差分別是2.85%和3.45%，這表明文中所采用的數(shù)值模擬方法具有較好的準(zhǔn)確性和計(jì)算精度，能夠用于熔鹽泵內(nèi)部流動(dòng)的數(shù)值模擬.

圖7 泵外特性計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

泵由小流量工況(0.2Qd)逐漸運(yùn)行到大流量工況(1.2Qd)，對(duì)應(yīng)的揚(yáng)程占設(shè)計(jì)揚(yáng)程的23.00%和21.06%.以水為介質(zhì)時(shí)的效率都稍高于以熔鹽為介質(zhì)時(shí)的效率，且隨著泵從小流量工況向大流量工況逐漸變化時(shí)，兩者的效率差值逐漸減小.以水為介質(zhì)的揚(yáng)程始終高于以熔鹽為介質(zhì)時(shí)的揚(yáng)程，在設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)，兩者揚(yáng)程差最小.從小流量工況點(diǎn)到設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，揚(yáng)程差值逐漸減小，從設(shè)計(jì)點(diǎn)到大流量工況點(diǎn)，揚(yáng)程差值逐漸增大，造成這種現(xiàn)象的原因一方面可能是在小流量工況下，2種介質(zhì)的流動(dòng)預(yù)旋和二次流的程度不一樣，另一方面是由于介質(zhì)的黏度不一樣而引起的輸送過程中的損失不一樣.由于熔鹽介質(zhì)的黏度高，密度大，相同條件下造成的沖擊損失比水介質(zhì)的要大.

3.2 變形分析

對(duì)模型泵進(jìn)行單向流固耦合數(shù)值計(jì)算，研究流體域和固體域相互作用時(shí)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的變形規(guī)律.圖8為不同溫度時(shí)3種材料的葉片工作面變形量曲線圖.

圖8 不同溫度時(shí)3種材料的葉片工作面變形量曲線

由圖8可以看出：在同一流量工況下，不同材料時(shí)葉片最大變形量呈先增后減的趨勢(shì)，在400 ℃時(shí)葉片最大變形量達(dá)到最大，在500 ℃時(shí)葉片最大變形量最?。徊捎?16L材料的葉輪工作面在300 ℃時(shí)，葉片變形量隨流量的增大而呈遞減趨勢(shì)，而采用347和420材料的葉輪工作面在300 ℃和400 ℃時(shí)葉片最大變形量沒有明顯變化，基本穩(wěn)定在0.805 mm 和1.094 mm附近，在500 ℃時(shí)呈上升趨勢(shì).

流固熱耦合作用下，造成葉輪形變程度隨溫度升高呈先增大后減小現(xiàn)象的原因可能有2個(gè)：一是高溫時(shí)葉輪材料的強(qiáng)度和室溫時(shí)有著很大不同，即高溫條件下材料本身的變形機(jī)制較為復(fù)雜；二是液態(tài)熔鹽介質(zhì)對(duì)材料本身會(huì)產(chǎn)生腐蝕作用，并且隨溫度的升高而加劇，這也影響材料本身的力學(xué)性能.

3.3 強(qiáng)度分析

為獲得葉輪的強(qiáng)度性能，對(duì)在不同溫度下采用3種材料的葉輪工作面、背面等效應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果如圖9，10所示.

圖9 不同流量時(shí)葉輪工作面等效應(yīng)力變化趨勢(shì)

圖10 不同流量時(shí)葉輪背面等效應(yīng)力變化趨勢(shì)

由圖9，10可以看出：葉片工作面應(yīng)力高于葉片背面應(yīng)力，并且不同溫度時(shí)不同材料的葉輪背面應(yīng)力呈線性遞減的趨勢(shì)；相比于采用316L材料和347材料，采用420材料的葉輪工作面在溫度為400 ℃時(shí)應(yīng)力值最大，在300 ℃和500 ℃時(shí)應(yīng)力值處于最小值；隨著運(yùn)行流量逐漸增大，葉輪最大等效應(yīng)力逐漸減小，與設(shè)計(jì)流量工況點(diǎn)的最大等效應(yīng)力相比，采用不同材料時(shí)的小流量工況(0.4Qd)的最大等效應(yīng)力分別上升了8.17%，8.23%，8.34%，大流量工況(1.3Qd)對(duì)應(yīng)的最大等效應(yīng)力分別下降了4.67%，2.93%，3.57%；不同材料的葉輪均在0.4Qd時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大，最大等效應(yīng)力分別為47.125，46.183，45.026 MPa，最大等效應(yīng)力主要集中在葉輪出口處葉片和前、后蓋板接觸的區(qū)域，這是由于葉輪出口處壓力較大，葉片出口邊厚度小，以及葉片與蓋板交接處易產(chǎn)生應(yīng)力集中所致.

通過上述分析可知，采用420材料時(shí)葉輪的應(yīng)力值變化規(guī)律較為復(fù)雜，而采用347，316L材料時(shí)葉輪應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，但同一工況下采用347材料的應(yīng)力值又偏大.

文中進(jìn)行流固熱耦合的流體域介質(zhì)為二元硝酸鹽，由40%硝酸鉀與60%硝酸鈉混合而成.當(dāng)葉輪和泵軸等轉(zhuǎn)動(dòng)部件采用316L材料時(shí)，由表1可知，500 ℃時(shí)316L材料的彈性模量E為152.7 MPa、曲服強(qiáng)度σs為116.5 MPa.經(jīng)過強(qiáng)度校核計(jì)算，在500 ℃時(shí)設(shè)計(jì)工況下計(jì)算得到的葉輪安全系數(shù)為2.37，滿足強(qiáng)度要求.

綜上所述，基于變形和強(qiáng)度分析，3種不銹鋼材料中采用316L材料時(shí)葉輪的力學(xué)性能效果最好.

4 結(jié) 論

1) 在同一流量工況下，3種材料的葉輪葉片最大變形量變隨溫度的升高呈先增大后減小趨勢(shì).3種材料的葉輪形變程度基本趨于穩(wěn)定，受流量影響不大.

2) 葉片工作面應(yīng)力值高于葉片背面應(yīng)力值，并且不同溫度時(shí)3種材料的葉輪背面應(yīng)力呈線性遞減變化.葉輪等效應(yīng)力最大的位置主要集中在葉輪出口處葉片和前、后蓋板接觸的區(qū)域.

3) 經(jīng)過變形和強(qiáng)度分析，3種不銹鋼材料中，316L材質(zhì)的葉輪力學(xué)性能最好.