流体激励诱发离心泵基座振动的研究

发布时间：2020-08-22 11:08

【摘要】：研究流体激励诱发离心泵基座的振动,对进一步减小基座振动传递至其他设备引起的设备故障与传递至板壳结构引起的辐射噪声有重要意义。本文的目的在于从泵内表面-蜗壳-支架-基座与叶轮-转轴-支撑-基座两条流体激励力传递途径分别研究流体激励所诱发垂直于离心泵基座方向的振动,并分析离心泵基座振动的混沌非线性特性。 运用Pro-E与ICEM建立离心泵流域的几何模型与网格,基于计算流体力学运用CFX分析了离心泵的稳态流场与瞬态流场,并积分得出空间三个方向泵内表面所受流体合力与叶轮所受流体合力与合力矩,运用分段拟合的方法建立了泵内表面流体合力数学模型,运用统计方法分析了叶轮各表面对叶轮所受流体合力与合力矩的贡献,通过流域内压力脉动值与转轴振动位移的测试证明了分析结果的准确性。 根据试验台架,建立包括蜗壳、电机模型、电机、支架与离心泵基座系统的FEM模型,通过对比模态分析结果与LMS模态测试验证FEM模型的正确性,基于流场计算所得瞬态流场各时间步泵内表面流体压力,分析了流体激励泵内表面-蜗壳-支架-基座所诱发的瞬态响应。 基于达朗伯原理建立了包含有离心泵基座的四圆盘三轴段、垂直于基座方向的转子动力学模型;基于配重法运用光电传感器、电涡流位移传感器与所构建的LabVIEW刚度辨识虚拟仪器测试了转子支撑的刚度,并分析了叶轮内流体质量对转子系统固有频率与振型的影响;基于Newmark算法运用Matlab分析了流场计算所得叶轮径向流体激励作用下转子系统的瞬态响应,并分析了转子动力学中将流体力简化为圆盘附加质量建模方法的准确性;通过仅电机转动与电机离心泵共同转动的实验对比分析了所设计台架中电机与离心泵对基座振动的贡献量;对比分析了流体力两个途径激励离心泵基座诱发的振动,并与实验结果做了对比。 从统计理论出发,提出三种方法修正两个一维数组所构成平面上,数据对所对应点在该平面上的概率分布矩阵,从而改进Cellucci的互信息算法,并由该改进算法计算了Lorenz序列的最佳延迟时间,而后得出最大Lyapunov指数验证了改进算法的有效性。 运用改进的互信息算法与Tisean3.0伪最近邻点算法工具包对四个测试点所得离心基座振动位移进行了延迟时间与嵌入维数的分析,并依据该延迟时间与嵌入维数重构了相空间,运用Tisean3.0小数据量算法工具包分析了各振动位移时间序列的最大Lyapunov指数以判断系统混沌非线性特性。 通过以上研究得出了以下主要结论: 1)运用CFD计算可以有效地得出离心泵所受流体力与力矩;叶轮径向流体合力主要以叶轮转动频率,而非叶片通过频率进行波动,蜗壳所受流体空间三个方向合力、叶轮所受其它方向流体力与绕三个方向的合力矩均主要以叶片通过频率进行波动;运用分段拟合的方法所得到蜗壳流体力数学模型比单段拟合与正余弦函数逼近有更好的精度;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,运用离心泵转轴振动位移与叶轮径向流体力的对比可以验证流场计算的正确性。 2)建立的蜗壳、电机模型、电机与基座系统FEM模型是可靠的;流体激励泵内表面-蜗壳-支架诱发垂直于基座方向振动的位移幅值与加速度幅值均较小;离心泵起动阶段所产生初始压力脉动在非稳态振动阶段对基座振动有较大影响;泵内表面局部压力脉动是宽频激振源,会诱发出离心泵系统的各阶模态振动。 3)所建立的转子动力学模型是正确有效的;所提出支撑刚度不拆卸测试方法是有效可行的;建立的支撑刚度辨识虚拟仪器系统能够可靠地得出转子支撑刚度;叶轮内流体质量对转子系统的中频固有频率有一定影响,而对系统低频与高频固有频率与各阶振型影响较小;流体力激励叶轮-转轴-基座所诱发的基座振动主要频率为转子的基频;正弦外激励作用下,将流体力简化为叶轮内20%与40%水质量所得基座振动均远小于将流体激励力直接作用于系统所引起的基座振动;流体激励力是诱发离心泵基座振动的主要原因;流体力激励泵内表面-蜗壳-支架-基座所引起的基座振动远小于激励叶轮-转轴-支撑-基座所引起的基座振动;流体激励诱发离心泵基座振动的主要来源是流体激励转子系统所诱发的基座振动;流体激励作用下离心泵基座振动位移的最大峰值频率为转轴转动频率,而振动加速度的最大峰值频率为五倍转动频率;从流体激励力的两条传递途径分别研究其所诱发基座振动的方法是有效可行的。 4)等间距划分时间序列所构成平面会得到错误的互信息值;当时间序列长度不为边缘划分区间个数整数倍时,Cellucci算法将会得到错误的最佳延迟时间;所提出的三种互信息改进算法不仅能够消除Cellucci算法的缺陷,并且计算速度快;并且使用较长序列计算互信息时所得结果更加稳定;三种互信息改进计算方法是有效可靠的;流体激励诱发的离心泵基座振动位移信号具有明显的吸引子存在;各振动位移的最大Lyapunov指数均略大于零,因此本文所研究离心泵系统的基座振动具有混沌特性存在。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TH311
【图文】：

图 1-1 单级单吸式离心泵结构图Fig1-1 Structure of single-stage single-suction centrifugal pump的种类很多，对其进行分类也有各种各样的准则，包括按照、轴系的安装方向、壳体型式等，各种准则与离心泵特点运用前两种准则进行分类更加常见。表 1-1 离心泵按照不同准则的分类Table 1-1 Classify of centrifugal pump with different standards 类 型 离心泵的特点单吸泵 液体从一侧流入叶轮，存在轴向力；双吸泵液体从两侧流入叶轮，不存在轴向力，泵的吸泵增加一倍；单级泵泵轴上只有一个叶轮；其扬程通常为10～201000米左右；多级泵同一根泵轴上装两个或多个叶轮，液体依次流

图 1-2 四种转子不平衡Fig.1-2 Four kinds of rotor unbalancea)平行不对中 b)偏角不对中 c)平行偏角不对中图 1-3 轴系不对中的三种形式Fig.1-3 Three kinds of shaft misalignment，转子不平衡与不对中诱发机械结构振动的机理已经得到了深入的共识[32]。虽然现实工作中不能完全消除转子上的不平衡量，但动很大程度上的减小不平衡质量的影响[33-37]，从而减小不平衡质量引

a)平行不对中 b)偏角不对中 c)平行偏角不对中图 1-3 轴系不对中的三种形式Fig.1-3 Three kinds of shaft misalignment，转子不平衡与不对中诱发机械结构振动的机理已经得到了深入的共识[32]。虽然现实工作中不能完全消除转子上的不平衡量，但动很大程度上的减小不平衡质量的影响[33-37]，从而减小不平衡质量引对于转子不对中，若两转子间采用柔性连结的方式，则也可以有效激励力的产生[38-41]。，以上所述的三种激振力中，非定常流体激励力是唯一还无法通过消除的激振力。这一方面是由于研究流体激振涉及到多学科，研究，另一方面则是由于离心泵内非定流动本身的复杂性，长期以来没对其进行研究，近年来随着计算流体力学的发展[42-45]，通过数值模体激振力的方法才得到广泛的应用。现有大量研究集中于离心泵内流场的计算与结构界面上压力脉动

【引证文献】

相关期刊论文 前1条

1 伦功仁;张朋;李凯杰;扶军;;离心泵流体激励力特性分析[J];水泵技术;2015年06期

相关博士学位论文 前3条

1 薛党勤;汽车冷却水泵优化设计及汽蚀振动特性研究[D];中国农业大学;2015年

2 李跃;船用串并联离心泵内部流动机理及振动特性研究[D];江苏大学;2014年

3 裴吉;离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[D];江苏大学;2013年

相关硕士学位论文 前4条

1 安满意;双吸离心泵的流致振动特性分析[D];西华大学;2016年

2 张鑫;基于流固耦合的低比转速离心泵流动诱导振动研究[D];浙江理工大学;2016年

3 饶昆;基于流固耦合的多级离心泵非定常流动特性及诱导振动分析[D];浙江理工大学;2016年

4 肖志远;浮动式森林消防泵的研究[D];北京林业大学;2013年

本文编号：2800614