基于循环平稳和数值模拟的泵阀动特性研究与改进设计

发布时间：2020-11-09 02:42

　　 在船舶工业和流程工业等领域中,泵和阀作为管网系统中重要的动力设备和调控装置,其动态特性和振动直接关系到系统运行的可靠性。离心泵和控制阀属于最常用的泵阀类型,它们的动态特性也各具特点。对于控制阀而言,控制的可靠性直接受到阀门内部非定常流动的影响,因此其流场动特性的准确获取及分析是一个关键问题。对于离心泵而言,其内流的非定常激励对泵机脚的振动有着至关重要的影响,如何从机脚振动信号中提取出流致振动激励源的影响程度以及激励产生机理是离心泵振动控制的研究难点,而传统的频谱分析很难获得流动激励的机理。为更好地研究泵阀非定常流致振动机理并实施控制,本文提出基于循环平稳结合数值模拟的方法对泵阀压力脉动和振动信号进行研究,在此基础上以抑制振动为目标进行典型泵阀的改进设计。论文的主要内容包括以下几个方面:(1)探讨了控制阀和离心泵动特性获取与分析中不同的侧重点,提出了结合非定常流场和信号分析的方法来揭示泵阀内部流动激励的动态特征,即基于数值模拟获取非定常流场的动态信号,并在循环平稳理论范畴内对其进行信号分析和激励源特征提取。(2)针对控制阀非定常流动激励的一阶周期性信号特点,引入时变均值作为一阶循环平稳统计量对其进行研究。针对离心泵的流致振动问题,推导了流致振动激励源与振动信号的调制模型,从理论上上证明了离心泵机脚振动信号的二阶循环平稳性。在此基础上,引入循环密度谱以及循环谱相干性等二阶循环平稳统计量对离心泵振动信号进行分析。(3)分析了驱动式和自动式两类控制阀流场动特性获取方法,以脉冲调制(Pulse-Width Modulation,简称PWM)控制阀为例提出了基于动网格技术的驱动式阀门流场动态特性提取方法。同时,以弹簧式压力调节阀为例,提出了结合数值模拟和一维瞬态仿真的自动式阀门流场动特性获取方法,并通过实验验证了该方法的有效性。分析了自动式阀门信号中存在的一阶循环平稳性,同时研究了阻尼、入口压力变化方式以及入口压力脉动对系统动特性的影响。总结出系统阻尼和入口压力变化速度是影响系统收敛的两个重要因素,并且指出入口压力脉动频率与阀门系统固有频率的大小关系,可产生对阀门动特性不同的作用机理。(4)采用二阶循环平稳统计量对离心泵振动信号进行了分析,结果表明离心泵振动信号存在二阶循环平稳特征,并验证了离心泵流致振动激励源与振动信号的调制模型,指出以叶频为主的离心泵流致振动激励源可提高泵机脚振动信号全频段的幅值。同时,通过对离心泵开启过程中变转速情况下振动信号的循环平稳分析,研究了时间采样和角度采样对离心泵振动信号中二阶循环平稳性的影响。(5)在离心泵振动信号分析的基础上,以抑制离心泵流致振动激励源为目标,通过叶片压力面吸力面耦合设计理念对离心泵叶片厚度分布规律进行研究。设计出一种翼型叶片,在蜗壳式和导叶式离心泵中进行了验证,通过与常规叶片和加厚叶片的压力脉动及径向激励力的对比分析,结果显示翼型叶片能有效降低蜗壳及导叶内的压力脉动以及径向激励力幅值。本文基于非定常数值模拟提出了泵阀内非定常流动特性的获取方法,针对控制阀和离心泵的动特性信号的差异,分别引入一阶和二阶循环平稳统计量进行分析,并通过理论和实验对该方法进行了验证。在此基础上,以抑制流致振动激励源为目标优化了离心泵和控制阀的结构,并在激振力控制上取得了效果。研究结果表明本论文提出的基于数值模拟和循环平稳的泵阀动特性获取及分析方法可以有效地揭示泵阀内流场的非定常流动机理,从而很好地指导工业应用中离心泵及控制阀系统的低振动设计。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH311;TH134
【部分图文】：

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【参考文献】

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本文编号：2875756