多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、多級(jí)離心泵作為常見的流體輸送關(guān)鍵裝置，廣泛運(yùn)用于石油、化工、鋼鐵、火力及海水淡化等大型工業(yè)領(lǐng)域?，F(xiàn)階段，多級(jí)離心泵正朝著高流量、高轉(zhuǎn)速及高揚(yáng)程方向發(fā)展，但與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)、噪音和穩(wěn)定性問(wèn)題也更加凸顯，這些問(wèn)題已成為制約多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)發(fā)展的核心問(wèn)題，究其原因還是原有的計(jì)算模型不完善。實(shí)際上，多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)及穩(wěn)定性問(wèn)題歸根結(jié)底是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)中的流-固耦合問(wèn)題，多級(jí)離心泵內(nèi)不僅存在轉(zhuǎn)子-軸承耦合問(wèn)題，也存在轉(zhuǎn)子-密封耦合問(wèn)題，

2、但目前的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子振動(dòng)模型并未充分考慮密封口環(huán)、軸承、軸向力等多個(gè)因素之間的耦合作用，轉(zhuǎn)子模型較為單一，無(wú)法滿足多級(jí)離心泵的高流量、高轉(zhuǎn)速及高揚(yáng)程下的計(jì)算需求。因此，建立更加完善的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)耦合振動(dòng)模型，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，具有重要的研究?jī)r(jià)值和工程意義。
　　本文以多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別創(chuàng)建了其橫向穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型、橫-軸雙向耦合振動(dòng)瞬態(tài)模型及非線性運(yùn)動(dòng)模型，并對(duì)其相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了求解。通過(guò)

3、不同工況及參數(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為展開研究，探尋其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。同時(shí)，針對(duì)研究對(duì)象采用相應(yīng)的試驗(yàn)研究以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。論文的主要內(nèi)容包括以下四個(gè)方面:
　　第一，利用二分法和弦截法聯(lián)合求解的混合法迭代求解滑動(dòng)軸承靜平衡位置，并采用小參數(shù)法求解了滑動(dòng)軸承動(dòng)特性系數(shù);基于Hertz點(diǎn)接觸理論和EHL理論推導(dǎo)了純徑向載荷下的簡(jiǎn)化調(diào)心球軸承剛度動(dòng)特性系數(shù)求解模型并求解了包含接觸剛度和油膜剛度共同作用的

4、綜合剛度動(dòng)特性系數(shù);利用Childs的有限長(zhǎng)理論和打靶法求解計(jì)算了有限長(zhǎng)口環(huán)密封動(dòng)特性系數(shù)，并利用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證;結(jié)合拉格朗日方程、有限元法和矩陣運(yùn)算方法建立了完善的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子-軸承-密封耦合系統(tǒng)橫向穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型。
　　第二，設(shè)計(jì)并改造了國(guó)內(nèi)首套“濕”轉(zhuǎn)子系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，可測(cè)試考慮密封支撐作用下的轉(zhuǎn)子耦合動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)部件結(jié)構(gòu)，拓寬并提高了試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍;對(duì)不同口環(huán)密封壓差和間隙條件下多級(jí)轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)

5、試，處理得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)一階臨界轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子-軸承-密封耦合系統(tǒng)橫向穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型的可靠性;研究了不同密封壓差、密封間隙和轉(zhuǎn)速對(duì)多級(jí)轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)特性和穩(wěn)定性的影響。
　　第三，結(jié)合拉格朗日方程和有限元法創(chuàng)建了包含軸向力作用的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)橫向運(yùn)動(dòng)模型和軸向運(yùn)動(dòng)模型，并利用相關(guān)文獻(xiàn)中的多級(jí)離心泵軸系的縱向自由振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速對(duì)軸向模型進(jìn)行了驗(yàn)證;采用矩陣整合方法將獨(dú)立的橫向運(yùn)動(dòng)模型和軸向運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了耦合，建立

6、了多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子-軸承-密封耦合系統(tǒng)橫-軸雙向耦合振動(dòng)模型;采用隱式的Newmark迭代法自行編寫了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫-軸雙向耦合振動(dòng)瞬態(tài)響應(yīng)求解程序;詳細(xì)研究了不同操作工況和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)橫-軸雙向耦合振動(dòng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性的影響。
　　第四，利用經(jīng)典的Capone非線性軸承油膜力模型和Muszynska非線性密封流體力模型，采用解析法建立了單級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)非線性運(yùn)動(dòng)模型并通過(guò)自編的四階Runge-Kutta法進(jìn)行了求解

7、;在單級(jí)轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用有限元法創(chuàng)建了多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)的非線性無(wú)量綱運(yùn)動(dòng)微分方程并對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了求解分析;重點(diǎn)分析了不同轉(zhuǎn)速、軸向力、軸承長(zhǎng)度和密封間隙對(duì)多種激勵(lì)力耦合作用下的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為的影響。
　　研究結(jié)果顯示，本文提出的混合法相較于二分法和弦截法具有好的計(jì)算速度和求解效率;本文提出的多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算的一階臨界轉(zhuǎn)速值與試驗(yàn)測(cè)量所得結(jié)果相比，最大相對(duì)誤差僅有5.5％