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基于離心泵內(nèi)流場模擬的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析與計算
閱讀：1803 發(fā)布時間：2012-10-24
泵轉(zhuǎn)子正朝著大功率、高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)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(zhuǎn)速,‘多級泵轉(zhuǎn)子在這方面表現(xiàn)的尤為突出,受臨界轉(zhuǎn)速的影響更加明顯,為了保證多級離心泵轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運轉(zhuǎn),避免其在接近其臨界轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生共振而影響泵的壽命,設(shè)計時需要準(zhǔn)確計算其在工作狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速即“濕”態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速。計算轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)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(jìn)行計算,并在zui后用傳遞矩陣法進(jìn)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(shù)對整體流道模型進(jìn)行啟動階段的瞬態(tài)三維流場數(shù)值模擬,對比研究了流固耦合對流場模擬結(jié)果的影響,預(yù)測了多級泵在啟動階段的性能曲線,獲得了葉輪、導(dǎo)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(xiàn)象,為后期的臨界轉(zhuǎn)速計算奠定基礎(chǔ)；對于浸液轉(zhuǎn)子來說,流固耦合作用不僅對流場產(chǎn)生影響而且對臨界轉(zhuǎn)速的影響也顯而易見,文中通過建立多級泵轉(zhuǎn)子部件實體模型,對轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行流固耦合及有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析,初步探討了流固耦合作用和旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)對臨界轉(zhuǎn)速的影響；文中還對比了鄧克萊法與有限元法計算轉(zhuǎn)子部件在剛性支承下一階臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)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(huán)剛度、支承剛度對轉(zhuǎn)子固有頻率的影響,并計算了轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的“濕態(tài)”臨界轉(zhuǎn)速。
zui后運用傳遞矩陣法對彈性支承下的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計算對比,計算結(jié)果表明：1）數(shù)值模擬預(yù)測的設(shè)計工況性能與試驗值吻合較好,啟動的各個階段比較準(zhǔn)確的反映了在不同的轉(zhuǎn)速下多級離心泵內(nèi)部的流動狀態(tài)。2）流固耦合作用明顯降低了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,且隨著轉(zhuǎn)速的升高作用越明顯。3）影響臨界轉(zhuǎn)速因素中支承剛度作用明顯,準(zhǔn)確地簡化支承,合理地確定支承的剛度和阻尼矩陣是準(zhǔn)確計算臨界轉(zhuǎn)速的前提。4）由于轉(zhuǎn)子“濕態(tài)”下受到的流固耦合作用,在耦合面處發(fā)生振動,因此相對于“干態(tài)”的臨界轉(zhuǎn)速有很大差別。多級離心泵轉(zhuǎn)子部件在“濕態(tài)”下的臨界轉(zhuǎn)速計算,需要綜合考慮多種因素和多種理論的結(jié)合,包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子動力學(xué)、彈性力學(xué)和流體動力潤滑理論及密封動力學(xué)的知識,是個非常復(fù)雜的過程,本文的計算結(jié)果為今后的研究提供了參考,并為多級離心泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)校核提供依據(jù)。
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(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當(dāng)雨傘緩慢轉(zhuǎn)動時，水滴會跟隨雨傘轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)這個原理設(shè)計的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，將水甩出，從而達(dá)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(shù)對整體流道模型進(jìn)行啟動階段的瞬態(tài)三維流場數(shù)值模擬,對比研究了流固耦合對流場模擬結(jié)果的影響,預(yù)測了多級泵在啟動階段的性能曲線,獲得了葉輪、導(dǎo)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(xiàn)象,為后期的臨界轉(zhuǎn)速計算奠定基礎(chǔ)；對于浸液轉(zhuǎn)子來說,流固耦合作用不僅對流場產(chǎn)生影響而且對臨界轉(zhuǎn)速的影響也顯而易見,文中通過建立多級泵轉(zhuǎn)子部件實體模型,對轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行流固耦合及有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析,初步探討了流固耦合作用和旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)對臨界轉(zhuǎn)速的影響；文中還對比了鄧克萊法與有限元法計算轉(zhuǎn)子部件在剛性支承下一階臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)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(huán)剛度、支承剛度對轉(zhuǎn)子固有頻率的影響,并計算了轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的“濕態(tài)”臨界轉(zhuǎn)速。
zui后運用傳遞矩陣法對彈性支承下的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了計算對比,計算結(jié)果表明：1）數(shù)值模擬預(yù)測的設(shè)計工況性能與試驗值吻合較好,啟動的各個階段比較準(zhǔn)確的反映了在不同的轉(zhuǎn)速下多級離心泵內(nèi)部的流動狀態(tài)。2）流固耦合作用明顯降低了轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速,且隨著轉(zhuǎn)速的升高作用越明顯。3）影響臨界轉(zhuǎn)速因素中支承剛度作用明顯,準(zhǔn)確地簡化支承,合理地確定支承的剛度和阻尼矩陣是準(zhǔn)確計算臨界轉(zhuǎn)速的前提。4）由于轉(zhuǎn)子“濕態(tài)”下受到的流固耦合作用,在耦合面處發(fā)生振動,因此相對于“干態(tài)”的臨界轉(zhuǎn)速有很大差別。多級離心泵轉(zhuǎn)子部件在“濕態(tài)”下的臨界轉(zhuǎn)速計算,需要綜合考慮多種因素和多種理論的結(jié)合,包括傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子動力學(xué)、彈性力學(xué)和流體動力潤滑理論及密封動力學(xué)的知識,是個非常復(fù)雜的過程,本文的計算結(jié)果為今后的研究提供了參考,并為多級離心泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)校核提供依據(jù)。
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(xiàn)。比如雨傘上的水滴，當(dāng)雨傘緩慢轉(zhuǎn)動時，水滴會跟隨雨傘轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jù)這個原理設(shè)計的。高速旋轉(zhuǎn)的葉輪葉片帶動水轉(zhuǎn)動，將水甩出，從而達(dá)到輸送的目的。
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