基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的多級(jí)離心泵葉輪口環(huán)磨損量監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于設(shè)備智能診斷技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 口環(huán)作為多級(jí)離屯、累密封的重要組件，在運(yùn)行過(guò)程中磨損是不可避免的。在工程 應(yīng)用中，對(duì)于離屯、累口環(huán)密封的維修采用定期更換的模式，由于不同的離屯、累口環(huán)劣化速 率不一樣，采用定期更換的辦法會(huì)導(dǎo)致維修過(guò)?；蛏a(chǎn)效率的降低，所W實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)口環(huán)的 磨損狀況尤其重要。
[0003] 目前對(duì)離屯、累口環(huán)的研究多集中在對(duì)密封結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化、口環(huán)間隙對(duì)轉(zhuǎn)子及 口環(huán)動(dòng)力學(xué)特性的影響、口環(huán)間隙對(duì)離屯、累整機(jī)流場(chǎng)性能的影響等=個(gè)方面。陳魚等人利 用實(shí)驗(yàn)及計(jì)算的方法測(cè)得了口環(huán)間隙的大小對(duì)于離屯、累的性能的影響，得出前口環(huán)對(duì)累性 能的影響比后口環(huán)要大，且改變口環(huán)間隙對(duì)離屯、累最優(yōu)工況的各項(xiàng)指標(biāo)均有影響的結(jié)論。 J.Denecke等人分析了密封槽對(duì)間隙密封的密封性能的影響，提出密封槽能增大節(jié)流面積， 提高密封效果。Lomakin等人理論和實(shí)驗(yàn)分析了間隙密封處的激振力，提出間隙密封處的激 振力會(huì)影響轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)-速和穩(wěn)定性。KurokawaJ等人分析了離屯、累前口環(huán)間隙對(duì)葉輪 圓盤摩擦損失的影響，提出增大泄漏量能減小圓盤損失，優(yōu)化口環(huán)間隙能優(yōu)化離屯、累性能。 Alexan化ina化taroiu等人通過(guò)對(duì)密封間隙流場(chǎng)進(jìn)行精確建模，驗(yàn)證了通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí) 驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。關(guān)于離屯、累監(jiān)測(cè)分析的研究多集中于滾動(dòng)軸承、汽蝕等故障。如 ZekiKiral等人對(duì)有缺陷的滾動(dòng)軸承進(jìn)行了分析，模擬出缺陷所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)。張志剛 等人提出了一種基于EMD與譜峭度法的滾動(dòng)軸承故障特征提取方法。王洋等人利用空化模 型分析了離屯、累發(fā)生汽蝕故障時(shí)氣泡的產(chǎn)生破滅過(guò)程?；痗hardB.Medvitz等人采用兩相 流模型分析了汽蝕工況下離屯、累的性能參數(shù)變化。段向陽(yáng)等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索了離屯、累在汽 蝕工況下的噪聲化及振動(dòng)信號(hào)，提出5曲ZW上的高頻可W作為離屯、累汽蝕的檢測(cè)依據(jù)。竇 唯等人根據(jù)累壓力脈動(dòng)情況，提出了葉輪激振力與蝸殼隔舌有關(guān)，激振頻率為葉輪通過(guò)隔 舌的頻率。由此可見(jiàn)，目前對(duì)于離屯、累故障的研究集中在離屯、累汽蝕、激振力、軸承等故障 的研究，對(duì)于口環(huán)的研究集中在優(yōu)化口環(huán)結(jié)構(gòu)提高口環(huán)效率等方面，沒(méi)有對(duì)口環(huán)磨損量實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)方面的研究。
[0004] 構(gòu)成計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的基礎(chǔ)為物理學(xué)=大定律，運(yùn)=大定律對(duì)流體系統(tǒng)的運(yùn) 動(dòng)從數(shù)學(xué)領(lǐng)域描述就構(gòu)成了流體動(dòng)力學(xué)的基本方程組一-化Vier-Stokes方程組，該方程 組包含有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程W及能量方程等=組方程。 陽(yáng)(K)日]隨著數(shù)值計(jì)算方法日趨成熟W及基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（C抑：Computational FluidDynamics)的商業(yè)軟件的出現(xiàn)，利用C抑對(duì)離屯、累進(jìn)行模擬與研究具有可行性。祝磊 等人對(duì)離屯、累關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如葉頂間隙、側(cè)壁間隙進(jìn)行計(jì)算，分析其對(duì)于離屯、累性能的影響等。 在運(yùn)些研究中由于口環(huán)間隙比較小且流動(dòng)比較復(fù)雜，在C抑模擬中常常忽略口環(huán)間隙，導(dǎo) 致研究中無(wú)法考慮口環(huán)對(duì)離屯、累的影響。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算能力大大提升， 對(duì)于離屯、累整機(jī)性能的研究中開(kāi)始考慮口環(huán)間隙存在，使分析口環(huán)間隙對(duì)離屯、累整機(jī)流場(chǎng) 的影響分析成為可能。如趙偉國(guó)等人利用CFD模擬不同口環(huán)間隙對(duì)離屯、累流場(chǎng)分布的影 響，分析口環(huán)間隙對(duì)于離屯、累各性能參數(shù)的影響。
[0006] 本發(fā)明利用CFD對(duì)離屯、累進(jìn)行流場(chǎng)建模，研究分析不同口環(huán)間隙下效率、軸向力 等參數(shù)變化規(guī)律，建立多級(jí)離屯、累效率W及軸向力隨著口環(huán)磨損的變化曲線，提出一種基 于多參數(shù)融合的口環(huán)磨損量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法，深入分析了受力不平衡、葉輪流道腐蝕、堵 塞故障等對(duì)口環(huán)磨損量監(jiān)測(cè)的影響，使得對(duì)于口環(huán)磨損量的監(jiān)測(cè)更加準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)不能對(duì)口環(huán)磨損進(jìn)行評(píng)估的缺點(diǎn)，提供一套新的可 W對(duì)口環(huán)磨損量進(jìn)行評(píng)估診斷的方法。該方法可W排除診斷過(guò)程中其它故障的干擾，提高 口環(huán)磨損量評(píng)估的準(zhǔn)確性。
[0008] 本發(fā)明公開(kāi)了一種基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的多級(jí)離屯、累葉輪口環(huán)磨損量監(jiān)測(cè) 方法，包括如下步驟：
[0009] 1)建立流道模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論建立口環(huán)間隙流場(chǎng)、葉輪流道模型和 蝸殼流道模型，將=者進(jìn)行裝配可得到離屯、累的整機(jī)流道模型。
[0010] 2)改變口環(huán)間隙尺寸，得到不同口環(huán)間隙情況下的整機(jī)流道模型，計(jì)算不同口環(huán) 間隙下多級(jí)離屯、累的效率值，得到效率隨口環(huán)間隙變化曲線。
[0011] 3)多級(jí)離屯、累的效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從多級(jí)離屯、累入口和出口壓力變送器W及流量變 送器分別讀取壓力與流量數(shù)據(jù)，從電機(jī)變頻器讀取電機(jī)電壓、電流數(shù)據(jù)，讀取電機(jī)效率W及 功率因數(shù)W利用進(jìn)出口流量、進(jìn)出口壓力、電流、電壓、電機(jī)效率及功率因素計(jì)算多級(jí)離屯、 累實(shí)時(shí)效率，實(shí)現(xiàn)多級(jí)離屯、累效率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0012] 4)采集軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的軸承箱上安裝水平、垂 直和軸向加速度傳感器，采集多級(jí)離屯、累驅(qū)動(dòng)端軸承和非驅(qū)動(dòng)端軸承處的振動(dòng)值。在各軸 承箱的軸承端蓋上安裝電滿流傳感器，測(cè)量轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)值。
[0013] 6) 口環(huán)磨損的監(jiān)測(cè)部分，根據(jù)軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)值判斷是否為口環(huán)磨損引起的 效率下降，根據(jù)計(jì)算出的多級(jí)離屯、累實(shí)時(shí)效率和效率關(guān)系曲線推測(cè)出口環(huán)磨損量。
[0014] 其中步驟1)建立整機(jī)流道模型需要包括=個(gè)部分的模型，由于不同部分結(jié)構(gòu)的 不同，其模型建模方法不相同。葉輪流道較復(fù)雜，無(wú)法直接建立模型，通過(guò)葉輪輪廓模型與 葉輪固體域模型相減建立葉輪流道模型。蝸殼流道中壓水室與吸水室連接的部分采用空間 曲線作為掃描軌跡由壓水室切線方向掃描到吸水室切線方向。將各個(gè)零件裝配得到多級(jí)離 屯、累整機(jī)流場(chǎng)模型。多級(jí)離屯、累流場(chǎng)模型復(fù)雜，葉輪、壓水室等流道扭曲較大，所W采用四 面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
[0015] 通過(guò)改變口環(huán)間隙尺寸，對(duì)不同口環(huán)磨損量的多級(jí)離屯、累流場(chǎng)進(jìn)行模擬，利用多 級(jí)離屯、累模擬效率計(jì)算公式計(jì)算不同口環(huán)間隙尺寸下的多級(jí)離屯、累效率，得到效率隨口環(huán) 磨損變化曲線。多級(jí)離屯、累的效率計(jì)算公式為：
[0016]
[0017] 陽(yáng)0化]化=MHg
[0019]
W20] V。:進(jìn) 口速度m/s;
[002"1] Vi:出 口速度m/s; 柳22] P。:進(jìn)口壓力化； 陽(yáng)〇2引 Pi:出口壓力化；
[0024] ]^:揚(yáng)程111; 陽(yáng)0巧]N:離屯、累軸功率W;
[0026] n:轉(zhuǎn)速r/min;
[0027] Ty:作用在葉輪上繞y軸的扭矩N?m; 陽(yáng)〇2引化:離屯、累有效功率W;
[0029] M:質(zhì)量流量kg/s;
[0030] n:離屯、累效率。
[0031] 從多級(jí)離屯、累入口和出口壓力變送器W及流量變送器分別接入進(jìn)出口壓力和進(jìn) 出口流量數(shù)據(jù)，從電機(jī)變頻器讀取電機(jī)電壓、電流數(shù)據(jù)，讀取電機(jī)效率W及功率因數(shù)，利用 累的實(shí)時(shí)效率計(jì)算公式計(jì)算得到多級(jí)離屯、累實(shí)時(shí)有效功率，實(shí)現(xiàn)多級(jí)離屯、累效率實(shí)時(shí)監(jiān) 巧。。由于直接測(cè)量多級(jí)離屯、累葉輪扭矩較復(fù)雜，本專利通過(guò)引入電機(jī)電流W及電壓數(shù)據(jù)計(jì) 算軸功率。實(shí)時(shí)多級(jí)累的效率計(jì)算公式為：
[0032]
[0033]
[0034] 化=MHg
[0035]
[0036] V。:進(jìn) 口速度m/s;
[0037] Vi:出 口速度m/s; 陽(yáng)0測(cè) P。:進(jìn)口壓力化；
[0039] Pi:出口壓力化；
[0040] H:揚(yáng)程m; 柳41] N:離屯、累軸功率W;
[0042] U:線電壓V; W43] I:線電流A;
[0044] cosa;功率因數(shù)；
[0045] A--電機(jī)效率
[0046] 化:離屯、累有效功率W;
[0047] M:質(zhì)量流量kg/s; W48]n:離屯、累效率。
[0049] 采集軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的軸承箱上安裝水平、垂直 和軸向加速度傳感器，采集多級(jí)離屯、累驅(qū)動(dòng)端軸承和非驅(qū)動(dòng)端軸承的振動(dòng)值。在各軸承箱 的軸承端蓋上安裝電滿流傳感器，測(cè)量轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)值。數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成，數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)包括振動(dòng)傳感器、安全柵、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)應(yīng)用管理器。
[0050] 根據(jù)軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)值判斷是否為口環(huán)磨損引起的效率下降，根據(jù)計(jì)算出的 多級(jí)離屯、累實(shí)時(shí)效率和效率關(guān)系曲線推測(cè)出口環(huán)磨損量。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1建模步驟
[0052] 圖2口環(huán)監(jiān)測(cè)方法示意圖
[0053] 圖3效率隨口環(huán)磨損變化模擬曲線
[0054] 圖4磨損量為0. 3mm與0. 7mm時(shí)軸向振動(dòng)與正常工況對(duì)比圖
【具體實(shí)施方式】 陽(yáng)化5] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明對(duì)口環(huán)磨損量的診斷方法作進(jìn)一步介紹。
[0056] 如圖1、圖2所示，本發(fā)明的流程包括：
[0057] 1)建立流道模型，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論建立口環(huán)間隙流場(chǎng)、葉輪流道模型和