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口环间隙造成了容积损失,并能改变离心泵的内部流动结构,影响水力性能,并引起转子部件的轴向力和径向力的变化。口环间隙影响离心泵运行的安全可靠性,如果口环间隙选取过大,会造成容积损失增大,效率降低;如果口环选取过小,对于在高温、高压的工作环境下运行的高温流程泵而言,在使用过程中,介质的高温对泵的结构有着重要的影响,材料的特性会随着材料温度的变化而发生相应的变化。在温度载荷与机械载荷的综合作用下,致使口环发生变形,改变口环间隙的大小,严重时,由于口环的剧烈变形,发生叶轮口环与泵体口环接触磨损,造成转子部件的咬死,最终导致开车失败,影响着高温流程泵的安全可靠性。因此,高温流程泵的口环间隙的合理选取非常重要。
本文利用ANSYSWorkbench软件对TEG200-400型的高温流程泵进行热-固耦合有限元分析,主要工作如下:
1、总结归纳了热-固耦合的基本理论;利用Pro/E软件对该泵的各个部件进行三维造型,运用ICEM-CFD软件对各个部件进行网格划分,并对接触面和口环位置局部加密处理;总结了泵体、泵盖等常用材料的特性和力学性能;介绍了API610有关顶部管口和侧面管口施加外部载荷的规定,为下一步进行热-固耦合仿真计算做准备。
2、对该泵在25℃和250℃时进行热-固耦合有限元计算,得到泵体和泵盖在两种温度下的应力应变规律,分析得出泵体和泵盖的最大应力均小于材料的屈服强度,验证了初步设计的合理性和可行性,为下一步的理论分析和计算提供了理论基础。
3、研究250℃时泵盖冷却腔在有冷却水冲洗和无水冲洗两种情况下泵体、泵盖的应力变形规律,并对泵体口环和叶轮口环的变形进行分析。计算结果表明:冷却水冲洗主要影响泵盖的应力分布,对叶轮口环的位置变形具有重要的影响。
4、在190℃、220℃、250℃情况下,分别对该泵进行热-固耦合分析,研究不同温度对泵体、泵盖的应力应变的影响,进一步研究不同温度时的口环变形情况,以及叶轮口环和泵体口环之间的间隙变化,为口环间隙的合理选取提供了一定的参考依据。
5、选取输送介质温度、泵体材料、泵体厚度、施加外部载荷四个因素,每一因素对应三个水平,采用L9(34)正交表设计出9组方案,对该模型泵进行正交试验模拟,得到不同试验的叶轮口环和泵体口环的变形情况。通过极差分析,得到影响口环变形的因素之间的主次要关系。为高温泵的初步设计、材料的选取等提供参考价值。