一种带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法技术

本发明专利技术公开了一种带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法，包括如下步骤：1）构建立式多级离心泵转子、壳体与工作介质之间的几何结构模型；2）将工作介质质量分解为转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量三部分质量；3）建立立式多级离心泵系统动力学方程；4）构建“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型；5）在“干态”下泵转子系统动力学有限元实体模型的基础上，构建含工作介质的立式多级离心泵系统动力学有限元模型。本发明专利技术针对带液工况下立式多级离心泵进行动力学建模和振动特性分析，对立式多级离心泵的动力学设计具有良好的指导作用，减少了设计的离心泵工作中的振动故障，降低了其设计成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于离心泵转子动力学设计领域，尤其是涉及一种带液工况的立式多级离心泵转子动力学建模方法。
技术介绍
立式多级离心泵广泛应用到化工、石油和电力等行业，随着对运行效率和节能减排要求的不断提高，立式多级离心泵近年来越来越趋向于高转速、大容量方向发展。多级离心泵转子系统结构复杂，一般由多级叶轮、轴承、密封、联轴器、壳体等多个零部件组成，且工作转速多在3000rpm以上，因此在进行传统的机械强度设计基础上，往往还得考虑临界转速、振型等动力学特性，使得工作转速范围与临界转速区域满足一定的隔离裕度动力学设计要求，否则设计出的离心泵在实际运行过程中容易出现强烈振动、噪声等问题，甚至引发重大安全事故。在离心泵工作运行过程中，由于液态工作介质具有一定质量，在泵转子旋转离心力的作用下，其流动过程也非常复杂，液态介质与叶轮之间会存在一定的相互耦合作用。当离心泵转子叶轮振动时，与之接触的液态介质也会随着振动，一方面旋转的叶轮会影响液态介质流场的分布，从而改变流体载荷的分布和大小；另一方面，叶轮在流场压力载荷的作用下会产生变形。基于以上多方面因素的影响，含液态工作介质运行的多级离心泵临界转速和振型有可能会发生改变，使得离心泵转子振动特性变得更加复杂，大幅增加动力学设计难度。因此，在立式多级离心泵的动力学设计时，很有必要考虑液态工作介质对其振动特性的影响，以构建符合实际工况的带液工作介质离心泵转子动力学模型，准确分析出临界转速与振型，>为其结构动力学设计和振动分析提供依据和参考。目前国内外很多学者在泵转子动力学建模与分析方面开展了大量研究工作，其中Wang等通过分析离心泵转子和周围工作介质的耦合作用，推导了泵转子动力学方程，采用频谱分析法计算了泵转子的临界转速值。Marscher采用模态分析法对多级泵临界转速和振型进行了分析，但由于带液工作介质下实际运行工况现场复杂，从含有众多干扰频率成分的通频信号中无法有效提取出基频信号，难以通过有限个测点处的响应准确估计分析出泵的临界转速和振型。国内大多数厂家对立式多级离心泵的动力学设计，仍主要针对“干态”下转子进行动力学建模与临界转速分析，即在动力学建模过程中没有考虑液态工作介质对泵转子振动特性的影响，导致所建的动力学模型与实际运行工况不吻合，以至于应用“干态”下动力学模型分析计算出的临界转速值与离心泵转子的实际值相差较大，甚至工作转速范围有可能落入共振转速区域，使得设计生产的立式多级离心泵振动过大，性能下降，严重影响离心泵机组的安全生产与健康运行。综上所述，为准确分析立式多级离心泵实际工况下的动力学行为和振动特性，很有必要在动力学设计过程中采用一种带液工况下立式多级离心泵的动力学建模方法，以更好的开展振动特性分析工作。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种带液工况下立式多级离心泵转子的动力学建模方法；它能够对带液工况下立式多级离心泵转子进行系统临界转速与振型应变能分析，对立式多级离心泵转子的设计具有指导作用，并为立式多级离心泵的动力学设计与振动分析提供参考，有利于立式多级离心泵的安全运行，延长立式多级离心泵的使用寿命。本方法的基本原理与实施流程如图1所示，具体内容包括：(1)结合泵的构件机壳、叶片、转轴结构的空间位置，不考虑叶轮、叶片的几何形状，忽略工作介质与叶轮之间的内部作用力，采用规则的圆锥体分别对壳体、转子、工作介质进行等效模化；其中，液态工作介质充满在转子、壳体间的环形空间，根据转子、壳体直径确定模化环形空间的内半径和外半径，构建立式多级离心泵转子、壳体与工作介质几何结构模型；(2)叶轮中的工作介质会随着泵的叶片旋转而流动，工作介质由于存在粘滞性，在离心力的作用下导致环形中不同径向位置处液态质点的速度不一致，根据这种速度差异性对简化的环形空间工作介质质量进行分解，分解为转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量三部分质量，并确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量的计算表达式；(3)将立式多级离心泵转子沿轴线方向划分为相应的圆盘、轴端和支承单元，支承和联轴器处约束分别用弹簧和阻尼器表示，在确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量的计算表达式的基础上，分别对离心泵转子的圆盘、轴端和支承进行受力分析，建立带液工况下立式多级离心泵转子动力学方程；(4)根据立式多级离心泵转子物理结构实际尺寸和质量参数，结合立式多级离心泵转子的轴、叶轮、毂、套的密度、剪切模量、弹性模量和滚动轴承刚度值，构建“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型；其中对于非圆锥体构件，通过Pro/E软件分析得到它们的质量、转动惯量、重心位置参数，根据其重心位置来确定它们在轴上的具体位置，以刚性圆盘形式来施加等效的质量和转动惯量参数；对“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型进行静力学分析，得到的转子长度、质量、支承跨距数值与设计值对比，按照误差在5％范围以内的准则，对“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型的几何参数进行验证；(5)基于步骤(1)构建的立式多级离心泵中工作介质几何结构模型和步骤(3)所得到的带液工况下立式多级离心泵转子动力学方程，将通过转子附加质量，壳体附加质量和液体耦合质量计算表达式计算所得转子附加质量，壳体附加质量和液体耦合质量作为约束，施加在步骤(4)建立的“干态”下立式多级离心泵转子动力学有限元模型上，从而构建出带液工况下立式多级离心泵转子系统有限元动力学模型。上述的带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法中，步骤(1)中：立式多级离心泵包括转子、叶片、叶轮、机壳，转子和壳体间是质量不可忽略的液态工作介质；为有效快速建立离心泵中工作介质几何结构模型，模化时将叶片等效为集中质量。上述的带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法中，步骤(3)中：建立的立式多级离心泵转子系统整体动力学方程为：(M*+m)U··+C*U·+K*U=Q]]>其中，M*=M1*00M1*;C*=C1*00C1*;K*=K1*00K1*.]]>M*为“干态”下转子系统惯性矩阵；C*考虑流体作用的系统阻尼矩阵；K*为考虑流体作用的系统刚度矩阵；Q为考虑流体作用的系统激励力矩阵；G1为考虑陀螺作用的阻尼矩阵；由轴段单元惯性矩阵及圆盘单元惯性矩阵形成；由轴段单元阻尼矩阵及圆盘单元阻尼矩阵形成；由轴段单元阻尼矩阵及圆盘单元阻尼矩阵形成，U分别为系统的加速度、速度、位移响应。m为液态工作介质附加质量矩阵，通过矩阵m对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法，主要包括如下步骤：(1)结合泵的构件机壳、叶片、转轴结构的空间位置，不考虑叶轮、叶片的几何形状，忽略工作介质与叶轮之间的内部作用力，采用规则的圆锥体分别对壳体、转子、工作介质进行等效模化；其中，液态工作介质充满在转子、壳体间的环形空间，根据转子、壳体直径确定模化环形空间的内半径和外半径，构建立式多级离心泵转子、壳体与工作介质几何结构模型；(2)叶轮中的工作介质会随着泵的叶片旋转而流动，工作介质由于存在粘滞性，在离心力的作用下导致环形中不同径向位置处液态质点的速度不一致，根据这种速度差异性，对简化的环形空间工作介质质量进行分解，分解为转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量三部分质量，并确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量的计算表达式；(3)将立式多级离心泵转子沿轴线方向划分为相应的圆盘、轴端和支承单元，支承和联轴器处约束分别用弹簧和阻尼器表示，在确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量的计算表达式的基础上，分别对离心泵转子的圆盘、轴端和支承进行受力分析，建立带液工况下立式多级离心泵转子动力学方程；(4)根据立式多级离心泵转子物理结构实际尺寸和质量参数，结合立式多级离心泵转子的轴、叶轮、毂、套的密度、剪切模量、弹性模量和滚动轴承刚度值，构建“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型；其中对于非圆锥体构件，通过Pro/E软件分析得到它们的质量、转动惯量、重心位置参数，根据其重心位置来确定它们在轴上的具体位置，以刚性圆盘形式来施加等效的质量和转动惯量参数；对“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型进行静力学分析，得到的转子长度、质量、支承跨距数值与设计值对比，按照误差在5％范围以内的准则，对“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型的几何参数进行验证；(5)基于步骤(1)构建的立式多级离心泵中工作介质几何结构模型和步骤(3)所得到的带液工况下立式多级离心泵转子动力学方程，将通过转子附加质量，壳体附加质量和液体耦合质量计算表达式计算所得转子附加质量，壳体附加质量和液体耦合质量作为约束，施加在步骤(4)建立的“干态”下立式多级离心泵转子动力学有限元模型上，从而构建出带液工况下立式多级离心泵转子系统有限元动力学模型。...

【技术特征摘要】
1.一种带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法，主要包括如下步骤：
(1)结合泵的构件机壳、叶片、转轴结构的空间位置，不考虑叶轮、叶片的几何形状，
忽略工作介质与叶轮之间的内部作用力，采用规则的圆锥体分别对壳体、转子、工作介质进
行等效模化；其中，液态工作介质充满在转子、壳体间的环形空间，根据转子、壳体直径确
定模化环形空间的内半径和外半径，构建立式多级离心泵转子、壳体与工作介质几何结构模
型；
(2)叶轮中的工作介质会随着泵的叶片旋转而流动，工作介质由于存在粘滞性，在离
心力的作用下导致环形中不同径向位置处液态质点的速度不一致，根据这种速度差异性，对
简化的环形空间工作介质质量进行分解，分解为转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质
量三部分质量，并确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质量的计算表达式；
(3)将立式多级离心泵转子沿轴线方向划分为相应的圆盘、轴端和支承单元，支承和
联轴器处约束分别用弹簧和阻尼器表示，在确定转子附加质量、壳体附加质量、液体耦合质
量的计算表达式的基础上，分别对离心泵转子的圆盘、轴端和支承进行受力分析，建立带液
工况下立式多级离心泵转子动力学方程；
(4)根据立式多级离心泵转子物理结构实际尺寸和质量参数，结合立式多级离心泵转子
的轴、叶轮、毂、套的密度、剪切模量、弹性模量和滚动轴承刚度值，构建“干态”下立式
多级离心泵转子系统动力学有限元实体模型；其中对于非圆锥体构件，通过Pro/E软件分析
得到它们的质量、转动惯量、重心位置参数，根据其重心位置来确定它们在轴上的具体位置，
以刚性圆盘形式来施加等效的质量和转动惯量参数；对“干态”下立式多级离心泵转子系统
动力学有限元实体模型进行静力学分析，得到的转子长度、质量、支承跨距数值与设计值对
比，按照误差在5％范围以内的准则，对“干态”下立式多级离心泵转子系统动力学有限元实
体模型的几何参数进行验证；
(5)基于步骤(1)构建的立式多级离心泵中工作介质几何结构模型和步骤(3)所得
到的带液工况下立式多级离心泵转子动力学方程...

【专利技术属性】
技术研发人员：宾光富，刘定衢，高永毅，郭帅平，沈意平，蒋勉，王钢，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43