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《兰州理工大学》 2012年
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高速多级离心泵转子动力特性研究

田亚斌  
【摘要】:高速离心泵结构紧凑、造价低,在化工、航天等工程领域中有着广泛的应用前景。是火箭燃料供给、核潜艇供排水以及核电站冷凝供水等航天和军工领域的关键设备,以及工农业供水等的主要设备。目前,高速离心泵正朝着大功率、高转速的方向发展,在运行的过程中有时要跨越一、二阶,甚至是三阶或更高的临界转速,尤其是多级泵的转子在这方面更为明显,运行稳定性受临界转速的影响与制约更加突出。为了保证多级离心泵转子的平稳运行,避免在接近其临界转速时产生共振而影响泵运行的稳定性和寿命,设计时必须要准确地计算出其在工作状态下的临界转速,即“湿”态下的临界转速。因此,通过离心泵内部流场分析和转子动力特性分析,探寻其产生振动的原因,特别是在流固耦合作用下转子的动力特性,准确地分析与计算出转子在各种情况下的临界转速,为准确预估转子临界转速提供可靠依据,(能有效抑制或者减轻振动与噪声的产生);这样,不仅对提高泵工作的可靠性,避免故障的发生、延长设备寿命,而且对工作环境的改善、经济效益的提高都具有十分重要的意义。 本文以一台3×8.3/4—10stg HSB型高速多级离心泵为研究对象,采用标准k-ε湍流模型,利用Fluent程序计算了高速离心泵内全流道的三维定常湍流流动。分析了流体力作用于结构的机理;作用于结构的流体力的来源,旋转失速等不稳定现象引起的流体力;动、静叶片干涉引起的流体力等。把这些流体力引起的振动分为自激振动和强迫振动,为后期的临界转速计算奠定了基础。 对于浸液转子来说,流固耦合作用不仅对流场产生影响,而且对临界转速的影响也是显而易见的。文中通过建立多级泵转子部件有限元模型,对转子部件进行流固耦合的模态分析,探讨了流固耦合作用和旋转软化效应对临界转速的影响;文中以计算转子部件在刚性支承下的临界转速为基础,利用实心管单元(代替梁单元)+弹簧单元的有限元模型分别讨论了陀螺力矩、支承刚度、流体软化、口环刚度、轴向应力等因素分别对转子固有频率的影响,最后得到了转子在工作状态下的各阶临界转速及其振型;同时,从中也得到了如下几方面结论和认识: 1、流体的软化作用降低了转子的临界转速,且随着转速的升高作用越明显。 2、影响临界转速的因素中,支承刚度作用明显,其次是口环支承刚度。准确地简化支承,合理地确定支承刚度和阻尼矩阵是准确计算临界转速的前提。 3、由于转子“湿态”下受到的流固耦合作用,在耦合面处发生振动,因此相对于“干态”的临界转速有很大差别。 4、口环支承是流固耦合作用时的一个重要因素,它对转子临界转速的改变较为显著。 5、轴向应力不仅可以提高转子的临界转速,而且也是改变振型、提高转子稳定性的主要因素。对于偶数叶轮“背靠背”自平衡式结构的多级离心泵不能忽视这一因素的影响。 6、合理、准确地简化计算模型是保证比较准确结果的前提,充分利用ANSYS自身单元模型可以得到更加准确的计算结果和大大节约计算资源。 多级离心泵转子部件在工作状态下的临界转速计算,需要综合考虑多种因素和多种理论的结合,包括传统转子动力学、弹性力学和流体动力润滑理论及密封动力学的知识,是个非常复杂的过程,本文的计算方法可为今后的研究提供一定的参考,并为预估高速多级离心泵转子的临界转速提供依据。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TH311

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