高速多级离心泵转子动力特性研究
发布时间：2025-01-17 09:16
高速离心泵结构紧凑、造价低,在化工、航天等工程领域中有着广泛的应用前景。是火箭燃料供给、核潜艇供排水以及核电站冷凝供水等航天和军工领域的关键设备,以及工农业供水等的主要设备。目前,高速离心泵正朝着大功率、高转速的方向发展,在运行的过程中有时要跨越一、二阶,甚至是三阶或更高的临界转速,尤其是多级泵的转子在这方面更为明显,运行稳定性受临界转速的影响与制约更加突出。为了保证多级离心泵转子的平稳运行,避免在接近其临界转速时产生共振而影响泵运行的稳定性和寿命,设计时必须要准确地计算出其在工作状态下的临界转速,即“湿”态下的临界转速。因此,通过离心泵内部流场分析和转子动力特性分析,探寻其产生振动的原因,特别是在流固耦合作用下转子的动力特性,准确地分析与计算出转子在各种情况下的临界转速,为准确预估转子临界转速提供可靠依据,(能有效抑制或者减轻振动与噪声的产生)；这样,不仅对提高泵工作的可靠性,避免故障的发生、延长设备寿命,而且对工作环境的改善、经济效益的提高都具有十分重要的意义。 本文以一台3×8.3/4—10stg HSB型高速多级离心泵为研究对象,采用标准k-ε湍流模型,利用Fluent程序...
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 本课题研究意义
1.3 转子动力特性研究现状
1.4 转子临界转速的计算方法概述
1.5 本课题研究目标及主要工作
第2章 离心泵流动研究及应力计算方法的发展
2.1 当前离心泵内部流动CFD分析的方法
2.1.1 旋转坐标系中的控制方程
2.1.2 基本方程的解法
2.1.3 常用湍流的模拟计算方法
2.1.4 离心泵三维湍流模型
2.2 离心泵中非定常流动研究
2.2.1 流体非定常流动中的数值研究方法
2.2.2 流体非定常流动中的试验测量研究
2.3 离心泵中的应力计算
2.3.1 流体机械中流固耦合计算方法的发展
2.3.2 流固耦合的一般计算方法
2.4 本章小结
第3章 高速多级离心泵内全流道三维定常数值计算
3.1 流动的基本方程
3.1.1 基本方程
3.1.2 湍流模型
3.1.3 模型常数的确定
3.2 控制方程的离散及计算方法的选择
3.2.1 控制方程的离散与数值计算程序
3.2.2 控制方程的离散格式
3.3 代数离散方程的求解
3.3.1 代数离散方程求解步骤
3.3.2 不可压缩流体粘性流动计算的速度—压力修正算法
3.4 边界条件
3.4.1. 进口边界条件
3.4.2. 出口边界条件
3.4.3. 固壁边界条件
3.4.4. 动静耦合交界面处理
3.4.5. 收敛精度的选择
3.5 数值计算的网格技术
3.6 计算结果及分析
3.6.1 压力场分布
3.6.2 速度场分布
3.6.3 湍动能k的分布
3.6.4 原因分析
3.7 本章小节
第4章 基于有限元法的高速多级离心泵转子动力学分析
4.1 转子—轴承系统简化模型的建立
4.1.1 建立动力学模型应遵循的原则
4.1.2 建立转子简化模型的方法
4.1.3 转子—轴承系统的简化模型
4.1.4 转子振动模态的有限元法分析方法
4.2 单元的运动方程
4.2.1 刚性圆盘单元运动方程
4.2.2 弹性轴段单元运动方程
4.2.3 轴承单元运动方程
4.3 转子—轴承系统的整体运动方程
4.4 本章小结
第5章 高速多级离心泵转子临界转速计算与分析
5.1 计算模型的建立
5.1.1 多级高速离心泵转子有限元求解的基本假设
5.1.2 计算软件及计算模型的选择
5.1.3 计算原始数据
5.1.4 两种模型的计算结果的对比分析
5.2 临界转速的计算及其计算结果的分析
5.2.1 临界转速
5.2.2 振型
5.3 弹支刚度对多级离心泵转子动力特性的影响分析
5.3.1 轴承动力特性系数的计算
5.3.2 支承刚度对临界转速的影响
5.3.3 支承刚度对振型的影响
5.4 陀螺力矩对多级离心泵转子动力特性的影响
5.4.1 考虑陀螺力矩的数学模型
5.4.2 考虑陀螺力矩后转子的固有频率及振型
5.5 本章小结
第6章 转子部件在工作状态下的临界转速计算与分析
6.1 流固耦合有限元数学模型的建立
6.1.1 流体对结构的作用力
6.1.2 考虑流体作用的转子动力学有限元模型
6.1.3 系统整体运动方程
6.2 流体软化作用对转子特性的影响
6.2.1 流体软化作用对转子固有频率的影响
6.2.2 流体软化作用对转子振型的影响
6.3 叶轮口环支承对转子临界转速的影响
6.3.1 密封动力特性系数的计算
6.3.2 密封动力特性系数对转子固有频率的影响
6.3.3 密封动力特性系数对转子振型的影响
6.4 轴向应力对转子临界转速的影响
6.4.1 轴向力对转子对固有频率的影响
6.4.2 轴向力对转子对振型的影响
6.5 本章小结
第7章 高速多级离心泵现场测试
7.1 测试原理
7.2 测试系统
7.3 传感器的选择及安装位置
7.3.1 轴的径向振动测量
7.3.2 轴向位移测量
7.4 测试参数的选择
7.5 测试结果及分析
7.6 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)
本文编号：4027877
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 本课题研究意义
1.3 转子动力特性研究现状
1.4 转子临界转速的计算方法概述
1.5 本课题研究目标及主要工作
第2章 离心泵流动研究及应力计算方法的发展
2.1 当前离心泵内部流动CFD分析的方法
2.1.1 旋转坐标系中的控制方程
2.1.2 基本方程的解法
2.1.3 常用湍流的模拟计算方法
2.1.4 离心泵三维湍流模型
2.2 离心泵中非定常流动研究
2.2.1 流体非定常流动中的数值研究方法
2.2.2 流体非定常流动中的试验测量研究
2.3 离心泵中的应力计算
2.3.1 流体机械中流固耦合计算方法的发展
2.3.2 流固耦合的一般计算方法
2.4 本章小结
第3章 高速多级离心泵内全流道三维定常数值计算
3.1 流动的基本方程
3.1.1 基本方程
3.1.2 湍流模型
3.1.3 模型常数的确定
3.2 控制方程的离散及计算方法的选择
3.2.1 控制方程的离散与数值计算程序
3.2.2 控制方程的离散格式
3.3 代数离散方程的求解
3.3.1 代数离散方程求解步骤
3.3.2 不可压缩流体粘性流动计算的速度—压力修正算法
3.4 边界条件
3.4.1. 进口边界条件
3.4.2. 出口边界条件
3.4.3. 固壁边界条件
3.4.4. 动静耦合交界面处理
3.4.5. 收敛精度的选择
3.5 数值计算的网格技术
3.6 计算结果及分析
3.6.1 压力场分布
3.6.2 速度场分布
3.6.3 湍动能k的分布
3.6.4 原因分析
3.7 本章小节
第4章 基于有限元法的高速多级离心泵转子动力学分析
4.1 转子—轴承系统简化模型的建立
4.1.1 建立动力学模型应遵循的原则
4.1.2 建立转子简化模型的方法
4.1.3 转子—轴承系统的简化模型
4.1.4 转子振动模态的有限元法分析方法
4.2 单元的运动方程
4.2.1 刚性圆盘单元运动方程
4.2.2 弹性轴段单元运动方程
4.2.3 轴承单元运动方程
4.3 转子—轴承系统的整体运动方程
4.4 本章小结
第5章 高速多级离心泵转子临界转速计算与分析
5.1 计算模型的建立
5.1.1 多级高速离心泵转子有限元求解的基本假设
5.1.2 计算软件及计算模型的选择
5.1.3 计算原始数据
5.1.4 两种模型的计算结果的对比分析
5.2 临界转速的计算及其计算结果的分析
5.2.1 临界转速
5.2.2 振型
5.3 弹支刚度对多级离心泵转子动力特性的影响分析
5.3.1 轴承动力特性系数的计算
5.3.2 支承刚度对临界转速的影响
5.3.3 支承刚度对振型的影响
5.4 陀螺力矩对多级离心泵转子动力特性的影响
5.4.1 考虑陀螺力矩的数学模型
5.4.2 考虑陀螺力矩后转子的固有频率及振型
5.5 本章小结
第6章 转子部件在工作状态下的临界转速计算与分析
6.1 流固耦合有限元数学模型的建立
6.1.1 流体对结构的作用力
6.1.2 考虑流体作用的转子动力学有限元模型
6.1.3 系统整体运动方程
6.2 流体软化作用对转子特性的影响
6.2.1 流体软化作用对转子固有频率的影响
6.2.2 流体软化作用对转子振型的影响
6.3 叶轮口环支承对转子临界转速的影响
6.3.1 密封动力特性系数的计算
6.3.2 密封动力特性系数对转子固有频率的影响
6.3.3 密封动力特性系数对转子振型的影响
6.4 轴向应力对转子临界转速的影响
6.4.1 轴向力对转子对固有频率的影响
6.4.2 轴向力对转子对振型的影响
6.5 本章小结
第7章 高速多级离心泵现场测试
7.1 测试原理
7.2 测试系统
7.3 传感器的选择及安装位置
7.3.1 轴的径向振动测量
7.3.2 轴向位移测量
7.4 测试参数的选择
7.5 测试结果及分析
7.6 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)
本文编号：4027877
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