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基于离心泵内流场模拟的转子临界转速分析与计算

王斌  
【摘要】: 泵转子正朝着大功率、高转速的方向发展,在运行的过程中必然要跨越一阶甚至是二、三阶的临界转速,‘多级泵转子在这方面表现的尤为突出,受临界转速的影响更加明显,为了保证多级离心泵转子的平稳运转,避免其在接近其临界转速时产生共振而影响泵的寿命,设计时需要准确计算其在工作状态下的临界转速即“湿”态下的临界转速。计算转子部件的临界转速常用的办法是有限元法和传递矩阵法,文中采用有限元法进行计算,并在最后用传递矩阵法进行了对比验证。 本文以一台改型多级离心清水泵为主要模型,利用CFD技术对整体流道模型进行启动阶段的瞬态三维流场数值模拟,对比研究了流固耦合对流场模拟结果的影响,预测了多级泵在启动阶段的性能曲线,获得了叶轮、导叶等部件的速度、压力分布,捕捉到泵在启动过程中的特殊流动现象,为后期的临界转速计算奠定基础;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显而易见,文中通过建立多级泵转子部件实体模型,对转子部件进行流固耦合及有预应力的模态分析,初步探讨了流固耦合作用和旋转软化效应对临界转速的影响;文中还对比了邓克莱法与有限元法计算转子部件在刚性支承下一阶临界转速的数值,之后利用实体+弹簧单元的有限元模型分别讨论了轴承跨距、口环刚度、支承刚度对转子固有频率的影响,并计算了转子在不同转速下的“湿态”临界转速。最后运用传递矩阵法对弹性支承下的转子临界转速进行了计算对比,计算结果表明: 1)数值模拟预测的设计工况性能与试验值吻合较好,启动的各个阶段比较准确的反映了在不同的转速下多级离心泵内部的流动状态。 2)流固耦合作用明显降低了转子的临界转速,且随着转速的升高作用越明显。 3)影响临界转速因素中支承刚度作用明显,准确地简化支承,合理地确定支承的刚度和阻尼矩阵是准确计算临界转速的前提。 4)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。 多级离心泵转子部件在“湿态”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,本文的计算结果为今后的研究提供了参考,并为多级离心泵转子的结构校核提供依据。


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