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基于離心泵內流場模擬的轉子臨界轉速分析與計算
閱讀:1815 發布時間:2012-10-24
泵轉子正朝著大功率、高轉速的方向發展,在運行的過程中必然要跨越一階甚至是二、三階的臨界轉速,‘多級泵轉子在這方面表現的尤為突出,受臨界轉速的影響更加明顯,為了保證多級離心泵轉子的平穩運轉,避免其在接近其臨界轉速時產生共振而影響泵的壽命,設計時需要準確計算其在工作狀態下的臨界轉速即“濕”態下的臨界轉速。計算轉子部件的臨界轉速常用的辦法是有限元法和傳遞矩陣法,文中采用有限元法進行計算,并在zui后用傳遞矩陣法進行了對比驗證。
本文以一臺改型多級離心清水泵為主要模型,利用CFD技術對整體流道模型進行啟動階段的瞬態三維流場數值模擬,對比研究了流固耦合對流場模擬結果的影響,預測了多級泵在啟動階段的性能曲線,獲得了葉輪、導葉等部件的速度、壓力分布,捕捉到泵在啟動過程中的特殊流動現象,為后期的臨界轉速計算奠定基礎;對于浸液轉子來說,流固耦合作用不僅對流場產生影響而且對臨界轉速的影響也顯而易見,文中通過建立多級泵轉子部件實體模型,對轉子部件進行流固耦合及有預應力的模態分析,初步探討了流固耦合作用和旋轉軟化效應對臨界轉速的影響;文中還對比了鄧克萊法與有限元法計算轉子部件在剛性支承下一階臨界轉速的數值,之后利用實體+彈簧單元的有限元模型分別討論了軸承跨距、口環剛度、支承剛度對轉子固有頻率的影響,并計算了轉子在不同轉速下的“濕態”臨界轉速。
zui后運用傳遞矩陣法對彈性支承下的轉子臨界轉速進行了計算對比,計算結果表明:1)數值模擬預測的設計工況性能與試驗值吻合較好,啟動的各個階段比較準確的反映了在不同的轉速下多級離心泵內部的流動狀態。2)流固耦合作用明顯降低了轉子的臨界轉速,且隨著轉速的升高作用越明顯。3)影響臨界轉速因素中支承剛度作用明顯,準確地簡化支承,合理地確定支承的剛度和阻尼矩陣是準確計算臨界轉速的前提。4)由于轉子“濕態”下受到的流固耦合作用,在耦合面處發生振動,因此相對于“干態”的臨界轉速有很大差別。多級離心泵轉子部件在“濕態”下的臨界轉速計算,需要綜合考慮多種因素和多種理論的結合,包括傳統轉子動力學、彈性力學和流體動力潤滑理論及密封動力學的知識,是個非常復雜的過程,本文的計算結果為今后的研究提供了參考,并為多級離心泵轉子的結構校核提供依據。
離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有:離心是物體慣性的表現。比如雨傘上的水滴,當雨傘緩慢轉動時,水滴會跟隨雨傘轉動,這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉動加快,這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動,那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動,如果速度太快,繩子將會斷開,石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據這個原理設計的。高速旋轉的葉輪葉片帶動水轉動,將水甩出,從而達到輸送的目的。
本文以一臺改型多級離心清水泵為主要模型,利用CFD技術對整體流道模型進行啟動階段的瞬態三維流場數值模擬,對比研究了流固耦合對流場模擬結果的影響,預測了多級泵在啟動階段的性能曲線,獲得了葉輪、導葉等部件的速度、壓力分布,捕捉到泵在啟動過程中的特殊流動現象,為后期的臨界轉速計算奠定基礎;對于浸液轉子來說,流固耦合作用不僅對流場產生影響而且對臨界轉速的影響也顯而易見,文中通過建立多級泵轉子部件實體模型,對轉子部件進行流固耦合及有預應力的模態分析,初步探討了流固耦合作用和旋轉軟化效應對臨界轉速的影響;文中還對比了鄧克萊法與有限元法計算轉子部件在剛性支承下一階臨界轉速的數值,之后利用實體+彈簧單元的有限元模型分別討論了軸承跨距、口環剛度、支承剛度對轉子固有頻率的影響,并計算了轉子在不同轉速下的“濕態”臨界轉速。
zui后運用傳遞矩陣法對彈性支承下的轉子臨界轉速進行了計算對比,計算結果表明:1)數值模擬預測的設計工況性能與試驗值吻合較好,啟動的各個階段比較準確的反映了在不同的轉速下多級離心泵內部的流動狀態。2)流固耦合作用明顯降低了轉子的臨界轉速,且隨著轉速的升高作用越明顯。3)影響臨界轉速因素中支承剛度作用明顯,準確地簡化支承,合理地確定支承的剛度和阻尼矩陣是準確計算臨界轉速的前提。4)由于轉子“濕態”下受到的流固耦合作用,在耦合面處發生振動,因此相對于“干態”的臨界轉速有很大差別。多級離心泵轉子部件在“濕態”下的臨界轉速計算,需要綜合考慮多種因素和多種理論的結合,包括傳統轉子動力學、彈性力學和流體動力潤滑理論及密封動力學的知識,是個非常復雜的過程,本文的計算結果為今后的研究提供了參考,并為多級離心泵轉子的結構校核提供依據。
離心泵有立式、臥式、單級、多級、單吸、雙吸、自吸式等多種形式。其主要的工作原理有:離心是物體慣性的表現。比如雨傘上的水滴,當雨傘緩慢轉動時,水滴會跟隨雨傘轉動,這是因為雨傘與水滴的摩擦力做為給水滴的向心力使然。但是如果雨傘轉動加快,這個摩擦力不足以使水滴在做圓周運動,那么水滴將脫離雨傘向外緣運動。就象用一根繩子拉著石塊做圓周運動,如果速度太快,繩子將會斷開,石塊將會飛出。這個就是所謂的離心離心泵就是根據這個原理設計的。高速旋轉的葉輪葉片帶動水轉動,將水甩出,從而達到輸送的目的。
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