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离心压缩机闭式叶轮失谐动力特性研究

孟继纲  
【摘要】: 离心压缩机作为冶金、建材、电力、石油、化工、环境工程等工业部门的重要设备,应用非常广泛,在国民经济诸多领域中都占有举足轻重的地位,是我国大型装备制造业的重点产品之一。闭式叶轮作为离心压缩机的核心设备,其动力特性的优劣直接影响到压缩机能否平稳安全地运行。 理想的压缩机闭式叶轮是具有谐调性的周期对称结构,在空间上可以分解为几何形状与材料属性都完全相同的扇区子结构,而实际运行中的叶轮由于加工误差、动平衡工艺、运行磨损、工作介质的附着与腐蚀等多种因素影响,扇区子结构之间的几何形状或材料属性会存在细微的差异,尽管在制造过程中力求尽量减小这种差异,但在实际问题中它是不可避免的。理论研究和试验结果都表明,失谐后的叶轮动力学特性较之谐调叶轮存在很大的不同,也往往更为复杂。失谐后的叶轮在受到外激励作用后,振动能量可能会集中在部分区域内无法传播出去,使得局部动力响应增大。虽然叶轮的失谐量一般不大,但其动力响应却通常会比相应的谐调叶轮动力响应大很多,即使不会立即引起结构的强度破坏,也可能会导致叶轮的全局或者局部疲劳失效,这已逐渐成为目前工程中旋转机械事故的比较常见的一类问题。 本文系统地分析了压缩机闭式叶轮中的振动现象,定义了针对闭式叶轮的叶片振动耦合强度计算公式。针对有限元方法特点和所研究的实际问题,从能量角度出发定义了失谐叶轮的模态局部化因子和响应局部化因子。然后,以我国自行研发、生产的工业用离心压缩机闭式叶轮为研究对象,通过适当简化,建立了规模适中的高精度有限元模型,使用循环对称分析的方法计算了谐调叶轮的固有频率和稳态响应。对谐调叶轮在叶片刚度和质量方面分别产生整体失谐和局部失谐的情形进行了研究,分别探讨了不同程度失谐对叶轮模态局部化和振动响应局部化的影响。另外还研究了叶轮流道存在晶粒黏着导致的局部失谐对叶轮动力特性的影响。最后,在总结全文工作的基础上提出了开展后续研究的方向。


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