多級泵內(nèi)部流固耦合數(shù)值分析及轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性研究.pdf

1、在現(xiàn)代石油化工裝置中，要求所有設(shè)備都要長期高效穩(wěn)定的運(yùn)行，然而由于各種原因，裝置中的多級泵時常出現(xiàn)振動超標(biāo)的問題。引起多級泵振動的原因很多，其中轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)是引起振動超標(biāo)的重要因素之一。以往泵的工作轉(zhuǎn)速往往低于一階臨界轉(zhuǎn)速。然而隨著多級泵向大型化、高速化的方向發(fā)展，超臨界、超超臨界轉(zhuǎn)速泵不斷涌現(xiàn)。在泵的啟動階段有時會跨越一階甚至更高階臨界轉(zhuǎn)速，從而引發(fā)振動。我們可以通過對轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行模態(tài)分析，分別計算轉(zhuǎn)子在“干”、“濕”態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速

2、，采用有效措施把臨界轉(zhuǎn)速調(diào)整到某一個特定的區(qū)域以避開工作轉(zhuǎn)速，從而保證其平穩(wěn)運(yùn)行，減少振動與噪聲，有效延長機(jī)組的壽命。
　　本文以430DY450-HY型泵作為研究對象，以計算流體動力學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用Pro/E軟件建立模型，采用Fluent軟件進(jìn)行三維流場數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部的流動規(guī)律，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比，為后期流固耦合和模態(tài)分析研究的可行性奠定基礎(chǔ)；由于多級泵轉(zhuǎn)子部件存在很多環(huán)形間隙，液體流經(jīng)這些間隙時會產(chǎn)生流固耦合力并作

3、用在轉(zhuǎn)子上，從而改變轉(zhuǎn)子的動力特性，使得多級離心泵的“干”、“濕”臨界轉(zhuǎn)速存在顯著差異，文中應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行流固耦合和模態(tài)分析研究，探討了流固耦合作用對轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的影響；文中通過將轉(zhuǎn)子部件簡化為實心管單元（代替梁單元）+彈簧單元的有限元模型分別討論了支承剛度、陀螺力矩、軸承跨距、密封環(huán)、軸向力等因素對臨界轉(zhuǎn)速的影響。計算結(jié)果表明：
　　1）利用CFD軟件對多級泵流場數(shù)值計算并預(yù)測其性能，不同工況下的數(shù)值模擬性能略高于試驗性

4、能，在誤差允許的范圍內(nèi)，這是由于數(shù)值模擬是在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，忽略了各種損失。同時這也表明本文所采取的研究方法是可信的。
　　2）通過流固耦合分析可知，葉輪的等效應(yīng)力沿葉片工作面從進(jìn)口到出口逐漸降低，葉輪的變形沿葉片表面從進(jìn)口到出口逐漸升高，而且隨著級數(shù)的增加而變大；泵軸的應(yīng)力和變形小，葉輪的應(yīng)力和變形大，這由于泵軸部位半徑較小，受慣性載荷的影響小，葉輪半徑較大，由于流體載荷和慣性載荷的共同影響大。
　　3）支承剛度與轉(zhuǎn)子臨

5、界轉(zhuǎn)速變化正相關(guān)，且隨著支承剛度的減小，臨界轉(zhuǎn)速下降趨勢加快；當(dāng)支承剛度較大時，臨界轉(zhuǎn)速比較接近甚至相等；增大支承跨度，轉(zhuǎn)子剛度降低，臨界轉(zhuǎn)速減?。粶p小支承跨度，轉(zhuǎn)子剛度增加，臨界轉(zhuǎn)速增大。
　　4）由于軸的靜擾度和制造裝配的誤差造成轉(zhuǎn)子與密封環(huán)不同心，產(chǎn)生徑向水動力，減小軸的擾度，增加轉(zhuǎn)子的剛度，使得臨界轉(zhuǎn)速顯著增高；流固耦合作用對轉(zhuǎn)子部件的影響相當(dāng)于對葉輪質(zhì)量增加，使轉(zhuǎn)子的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速減??；軸向力不平衡使轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速升