一種帶液工況下立式多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種帶液工況的立式多級(jí)離 屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 立式多級(jí)離屯、累廣泛應(yīng)用到化工、石油和電力等行業(yè)，隨著對(duì)運(yùn)行效率和節(jié)能減 排要求的不斷提高，立式多級(jí)離屯、累近年來(lái)越來(lái)越趨向于高轉(zhuǎn)速、大容量方向發(fā)展。多級(jí)離 屯、累轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般由多級(jí)葉輪、軸承、密封、聯(lián)軸器、殼體等多個(gè)零部件組成，且 工作轉(zhuǎn)速多在3000rpmW上，因此在進(jìn)行傳統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，往往還得考慮臨界轉(zhuǎn) 速、振型等動(dòng)力學(xué)特性，使得工作轉(zhuǎn)速范圍與臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域滿足一定的隔離裕度動(dòng)力學(xué)設(shè) 計(jì)要求，否則設(shè)計(jì)出的離屯、累在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中容易出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)、噪聲等問(wèn)題，甚至引發(fā) 重大安全事故。在離屯、累工作運(yùn)行過(guò)程中，由于液態(tài)工作介質(zhì)具有一定質(zhì)量，在累轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 離屯、力的作用下，其流動(dòng)過(guò)程也非常復(fù)雜，液態(tài)介質(zhì)與葉輪之間會(huì)存在一定的相互禪合作 用。當(dāng)離屯、累轉(zhuǎn)子葉輪振動(dòng)時(shí)，與之接觸的液態(tài)介質(zhì)也會(huì)隨著振動(dòng)，一方面旋轉(zhuǎn)的葉輪會(huì)影 響液態(tài)介質(zhì)流場(chǎng)的分布，從而改變流體載荷的分布和大??；另一方面，葉輪在流場(chǎng)壓力載荷 的作用下會(huì)產(chǎn)生變形?；赪上多方面因素的影響，含液態(tài)工作介質(zhì)運(yùn)行的多級(jí)離屯、累臨 界轉(zhuǎn)速和振型有可能會(huì)發(fā)生改變，使得離屯、累轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性變得更加復(fù)雜，大幅增加動(dòng)力 學(xué)設(shè)計(jì)難度。因此，在立式多級(jí)離屯、累的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，很有必要考慮液態(tài)工作介質(zhì)對(duì)其振 動(dòng)特性的影響，W構(gòu)建符合實(shí)際工況的帶液工作介質(zhì)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型，準(zhǔn)確分析出 臨界轉(zhuǎn)速與振型，為其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和振動(dòng)分析提供依據(jù)和參考。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模與分析方面開(kāi)展了大量研究工作，其中 Wang等通過(guò)分析離屯、累轉(zhuǎn)子和周圍工作介質(zhì)的禪合作用，推導(dǎo)了累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程，采用 頻譜分析法計(jì)算了累轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速值。Marscher采用模態(tài)分析法對(duì)多級(jí)累臨界轉(zhuǎn)速和振 型進(jìn)行了分析，但由于帶液工作介質(zhì)下實(shí)際運(yùn)行工況現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，從含有眾多干擾頻率成分 的通頻信號(hào)中無(wú)法有效提取出基頻信號(hào)，難W通過(guò)有限個(gè)測(cè)點(diǎn)處的響應(yīng)準(zhǔn)確估計(jì)分析出累 的臨界轉(zhuǎn)速和振型。國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家對(duì)立式多級(jí)離屯、累的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，仍主要針對(duì)"干態(tài)" 下轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與臨界轉(zhuǎn)速分析，即在動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程中沒(méi)有考慮液態(tài)工作介質(zhì)對(duì) 累轉(zhuǎn)子振動(dòng)特性的影響，導(dǎo)致所建的動(dòng)力學(xué)模型與實(shí)際運(yùn)行工況不吻合，W至于應(yīng)用"干 態(tài)"下動(dòng)力學(xué)模型分析計(jì)算出的臨界轉(zhuǎn)速值與離屯、累轉(zhuǎn)子的實(shí)際值相差較大，甚至工作轉(zhuǎn) 速范圍有可能落入共振轉(zhuǎn)速區(qū)域，使得設(shè)計(jì)生產(chǎn)的立式多級(jí)離屯、累振動(dòng)過(guò)大，性能下降，嚴(yán) 重影響離屯、累機(jī)組的安全生產(chǎn)與健康運(yùn)行。綜上所述，為準(zhǔn)確分析立式多級(jí)離屯、累實(shí)際工 況下的動(dòng)力學(xué)行為和振動(dòng)特性，很有必要在動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用一種帶液工況下立式多 級(jí)離屯、累的動(dòng)力學(xué)建模方法，W更好的開(kāi)展振動(dòng)特性分析工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種帶液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子的動(dòng)力 學(xué)建模方法;它能夠?qū)б汗r下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子進(jìn)行系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速與振型應(yīng)變能分 析，對(duì)立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用，并為立式多級(jí)離屯、累的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與振 動(dòng)分析提供參考，有利于立式多級(jí)離屯、累的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)立式多級(jí)離屯、累的使用壽命。
[0005] 本方法的基本原理與實(shí)施流程如圖1所示，具體內(nèi)容包括：
[0006] (1)結(jié)合累的構(gòu)件機(jī)殼、葉片、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的空間位置，不考慮葉輪、葉片的幾何形 狀，忽略工作介質(zhì)與葉輪之間的內(nèi)部作用力，采用規(guī)則的圓錐體分別對(duì)殼體、轉(zhuǎn)子、工作介 質(zhì)進(jìn)行等效模化;其中，液態(tài)工作介質(zhì)充滿在轉(zhuǎn)子、殼體間的環(huán)形空間，根據(jù)轉(zhuǎn)子、殼體直徑 確定?；h(huán)形空間的內(nèi)半徑和外半徑，構(gòu)建立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子、殼體與工作介質(zhì)幾何結(jié) 構(gòu)模型；
[0007] (2)葉輪中的工作介質(zhì)會(huì)隨著累的葉片旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)，工作介質(zhì)由于存在粘滯性，在 離屯、力的作用下導(dǎo)致環(huán)形中不同徑向位置處液態(tài)質(zhì)點(diǎn)的速度不一致，根據(jù)運(yùn)種速度差異性 對(duì)簡(jiǎn)化的環(huán)形空間工作介質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行分解，分解為轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量、殼體附加質(zhì)量、液體禪合 質(zhì)量Ξ部分質(zhì)量，并確定轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量、殼體附加質(zhì)量、液體禪合質(zhì)量的計(jì)算表達(dá)式；
[0008] (3)將立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子沿軸線方向劃分為相應(yīng)的圓盤(pán)、軸端和支承單元，支承 和聯(lián)軸器處約束分別用彈黃和阻尼器表示，在確定轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量、殼體附加質(zhì)量、液體禪合 質(zhì)量的計(jì)算表達(dá)式的基礎(chǔ)上，分別對(duì)離屯、累轉(zhuǎn)子的圓盤(pán)、軸端和支承進(jìn)行受力分析，建立帶 液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程；
[0009] (4)根據(jù)立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子物理結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸和質(zhì)量參數(shù)，結(jié)合立式多級(jí)離屯、 累轉(zhuǎn)子的軸、葉輪、穀、套的密度、剪切模量、彈性模量和滾動(dòng)軸承剛度值，構(gòu)建"干態(tài)"下立 式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元實(shí)體模型;其中對(duì)于非圓錐體構(gòu)件，通過(guò)Pro/E軟件分 析得到它們的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、重屯、位置參數(shù)，根據(jù)其重屯、位置來(lái)確定它們?cè)谳S上的具體位 置，W剛性圓盤(pán)形式來(lái)施加等效的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù);對(duì)"干態(tài)"下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限元實(shí)體模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度、質(zhì)量、支承跨距數(shù)值與設(shè)計(jì) 值對(duì)比，按照誤差在5 %范圍W內(nèi)的準(zhǔn)則，對(duì)"干態(tài)"下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限 元實(shí)體模型的幾何參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證；
[0010] (5)基于步驟(1)構(gòu)建的立式多級(jí)離屯、累中工作介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)模型和步驟(3)所得 到的帶液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)方程，將通過(guò)轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量，殼體附加質(zhì)量和 液體禪合質(zhì)量計(jì)算表達(dá)式計(jì)算所得轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量，殼體附加質(zhì)量和液體禪合質(zhì)量作為約 束，施加在步驟(4)建立的"干態(tài)"下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元模型上，從而構(gòu)建出 帶液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子系統(tǒng)有限元?jiǎng)恿W(xué)模型。
[0011] 上述的帶液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法中，步驟(1)中：立式多級(jí) 離屯、累包括轉(zhuǎn)子、葉片、葉輪、機(jī)殼，轉(zhuǎn)子和殼體間是質(zhì)量不可忽略的液態(tài)工作介質(zhì);為有效 快速建立離屯、累中工作介質(zhì)幾何結(jié)構(gòu)模型，?；瘯r(shí)將葉片等效為集中質(zhì)量。
[0012] 上述的帶液工況下立式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模方法中，步驟(3)中：建立的立 式多級(jí)離屯、累轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體動(dòng)力學(xué)方程為：
[001引 r為"干態(tài)"下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)慣性矩陣;c聲慮流體作用的系統(tǒng)阻尼矩陣皆為考慮流體 作用的系統(tǒng)剛度矩陣；Q為考慮流體作用的系統(tǒng)激勵(lì)力矩陣;Gi為考慮巧螺作用的阻尼矩 陣；M;由軸段單元慣性矩陣M:及圓盤(pán)單元慣性矩陣M;形成；巧由軸段單元阻尼矩陣C: 及圓盤(pán)單元阻尼矩陣C;形成；斟由軸段單元阻尼矩陣< 及圓盤(pán)單元阻尼矩陣每形成， 巧，技，U分別為系統(tǒng)的加速度、速度、位移響應(yīng)。m為液態(tài)工作介質(zhì)附加質(zhì)量矩陣，通過(guò)矩陣 m對(duì)轉(zhuǎn)子附加質(zhì)量、殼體附加質(zhì)量、液體禪合質(zhì)量進(jìn)行描述：
[0020] 其中，P為工作介質(zhì)的密度，扣為模化環(huán)形空間的內(nèi)半徑，化為?；h(huán)形空間的外半 徑，L為?；h(huán)形空間的長(zhǎng)度。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 本發(fā)明結(jié)合帶液工況下累內(nèi)部工作介質(zhì)質(zhì)量不可忽略的特點(diǎn)，分析立式多級(jí)離屯、 累轉(zhuǎn)子與工作介質(zhì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，將液態(tài)工作介質(zhì)的影響分解為轉(zhuǎn)子附加