一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，包括以下步骤：根据I阶模态分析确定模态阻尼比X

【技术实现步骤摘要】
一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法
本专利技术涉及离心泵结构设计领域，具体涉及一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法。
技术介绍
离心泵是应用最广泛的泵，不仅应用于石油、化工、水利等工农业领域，而且应用于航空、核能等高科技领域。离心泵中存在大量的环形间隙密封结构，如环形密封、级间密封以及平衡鼓等结构存在，这些环形间隙密封结构会对离心泵的轴系造成一定的影响，环形间隙密封结构参数的变化会引起此处流体激励力及其等效动力学特性的变化，进而改变整个离心泵转子系统的模态振型与动力学响应。目前对环形间隙密封结构的优化改造往往都从泄漏量和磨损角度进行，并根据叶轮结构和经验选择对应的环形间隙密封结构，但考虑到环形间隙密封结构的加入必然会影响转子系统振动特性，导致结构设计与预想出现较大偏差，因此，利用基于转子系统的阻尼比分析结果进行环形密封结构的参数设计与优化，具有一定的可行性与重要的工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，用以环形间隙密封结构设计的优化。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，包括如下步骤：步骤1、根据Ⅰ阶模态分析确定模态阻尼比XiⅠ及固有频率fiⅠ；步骤2、构建转子系统Ⅰ阶模态振型下模态阻尼比XiⅠ关于环形密封处交叉刚度k、环形密封处等效阻尼c的拟合函数fⅠ(k,c)；步骤3、构造模态阻尼比ξ评价函数并求得模态阻尼比ξ的最优解对应的环形密封处交叉刚度k*和环形密封处等效阻尼c*；步骤4、构造环形密封间隙C的点集M和环形密封半径R的点集N并计算，得到拟合函数fk(R,C)、fc(R,C)；步骤5、联立拟合函数fk(R,C)、fc(R,C)与k*和c*，求解获得环形密封间隙C、环形密封半径R最优值。作为本专利技术的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法的改进：所述步骤1包括：步骤1.1、根据多级离心泵转子系统与各转子部件的几何参数，建立n级离心泵转子系统运动-受力模型，包括n个叶轮所在质量节点：节点1、节点2、……、节点n，轴承1所在质量节点为节点a，轴承2所在质量节点为节点b，假设环形密封处主刚度K为固定值107，环形密封处交叉刚度k依次取k1、k2、k3…kn共n组不同的值；环形密封处等效阻尼c依次取c1、c2、c3…cm共m组不同的值；步骤1.2、以各阶环型密封处交叉刚度k1、k2、k3…kn为算例，分别进行n级离心泵转子系统模态分析，环型密封处等效阻尼依次取c1、c2、c3…cm时Ⅰ阶模态固有频率为：fiⅠ＝(fi1、fi2……fim)，其中：i＝1，2，3…n，fim为当环型密封处交叉刚度分别为k1、k2、k3…kn为算例时Ⅰ阶模态振型中环型密封处等效阻尼取cm时的模态固有频率；以各阶环型密封处交叉刚度k1、k2、k3…kn为算例时，环型密封处等效阻尼依次取c1、c2、c3…cm时Ⅰ阶模态阻尼比为：XiⅠ＝(xi1、xi2……xim)，其中：i＝1，2，3…n，xim为当环型密封处交叉刚度分别为k1、k2、k3…kn为算例时Ⅰ阶模态振型中环型密封处等效阻尼取cm时的模态阻尼比值。作为本专利技术的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法的进一步改进：所述步骤3包括：步骤3.1、根据转子系统与壳体结构参数，以Ⅰ阶固有频率fiⅠ与工作转速对应的频率f工之频率比M作为自变量，模态阻尼比XiⅠ为因变量，构造模态阻尼比ξ评价函数Fkc；步骤3.2、求解各区间评价函数Fkc最小值时对应的环形密封处交叉刚度k*和环形密封处等效阻尼c*若0.2≤M≤0.3，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.012|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为ka，环形密封处等效阻尼c*为ca；若0.3<M≤0.4，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.019|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kb，环形密封处等效阻尼c*为cb；若0.4<M≤0.8，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.085|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kc，环形密封处等效阻尼c*为cc；若0.8<M≤0.9，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.65M+0.435|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kd，环形密封处等效阻尼c*为cd；若0.9<M≤1.1，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.15|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为ke，环形密封处等效阻尼c*为ce；若1.1<M≤1.3，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)+0.665M-0.8815|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kf，环形密封处等效阻尼c*为cf；若1.3<M≤1.5，当Fkc＝-|fⅠ(k,c)-0.017|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kg，环形密封处等效阻尼c*为cg；步骤3.3、根据适用于二维函数的改进的牛顿型迭代优化方法，求解评价函数取极小值时对应的环形密封处交叉刚度最优解k*和环形密封处等效阻尼最优解c*，求解过程如下：1)取环形密封处交叉刚度k和等效阻尼c的初始值k0和c0，给定初始点X0＝(k0c0)T，收敛精度ε，置n←0；2)计算和3)求Xn+1＝Xn+dk；4)检查收敛精度，若||Xn+1-Xn||<ε，则X※＝Xn+1，停止计算；否则，置n←n+1，返回步骤2)继续进行搜索；5)得到环形密封处交叉刚度最优解k*和环形密封处等效阻尼最优解c*，经多次迭代，当函数极小值f(X※)＝0时，此时的极小值点X※＝(kn+1cn+1)，则环形密封处交叉刚度最优解k*和环形密封处等效阻尼最优解c*分别取为kn+1和cn+1；其中为f(X)在近似点Xn处的梯度，为f(X)在Xn点处的海赛矩阵，dk是第k+1次搜索或迭代方向，Xn+1、Xn均为初始点的下一个近似点。作为本专利技术的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法的进一步改进：所述步骤4包括：步骤4.1、分别建立环形密封间隙C、环形密封半径R的两个取值的的点集M和N，根据小扰动模型下环形密封动力学特性方法，对于n个叶轮的环形密封处间隙依次取n组不同的值，建立环形密封间隙点集M＝{C1、C2、C3、……、Cn}；对于n个叶轮的环形密封半径R依次取n组不同的值：Rn＝R轮毂+CnΔR，其中ΔR＝R轮-R轮毂，R轮为叶轮半径，R轮毂为轮毂半径，则：N＝{R1、R2、R3、……、Rn}；步骤4.2、分别建立拟合函数fk、fc如下：其中A1、A2……A6均为常数,其中A7、A8均为常数。作为本专利技术的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法的进一步改进：所述步骤5联立二维拟合函数fk(R,C)、fc(R,C)与环形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、根据I阶模态分析确定模态阻尼比X

【技术特征摘要】
1.一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据I阶模态分析确定模态阻尼比XiI及固有频率fiI；
步骤2、构建转子系统I阶模态振型下模态阻尼比XiI关于环形密封处交叉刚度k、环形密封处等效阻尼c的拟合函数fI(k，c)；
步骤3、构造模态阻尼比ξ评价函数并求得模态阻尼比ξ的最优解对应的环形密封处交叉刚度k*和环形密封处等效阻尼c*；
步骤4、构造环形密封间隙C的点集M和环形密封半径R的点集N并计算，得到拟合函数fk(R，C)、fc(R，C)；
步骤5、联立拟合函数fk(R，C)、fc(R，C)与环形密封处交叉刚度最优解k*、环形密封处等效阻尼最优解c*，求解获得环形密封间隙C、环形密封半径R最优值。


2.根据权利要求1所述的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，其特征在于：
所述步骤1包括：
步骤1.1、根据多级离心泵转子系统与各转子部件的几何参数，建立n级离心泵转子系统运动-受力模型，包括n个叶轮所在质量节点：节点1、节点2、.......、节点n，轴承1所在质量节点为节点a，轴承2所在质量节点为节点b，假设环形密封处主刚度K为固定值107，环形密封处交叉刚度k依次取k1、k2、k3...kn共n组不同的值；环形密封处等效阻尼c依次取c1、c2、c3...cm共m组不同的值；
步骤1.2、以各阶环型密封处交叉刚度k1、k2、k3...kn为算例，分别进行n级离心泵转子系统模态分析，环型密封处等效阻尼依次取c1、c2、c3...cm时I阶模态固有频率为：
fiI＝(fi1、fi2......fim)，
其中：i＝1，2，3...n，fim为当环型密封处交叉刚度分别为k1、k2、k3...kn为算例时I阶模态振型中环型密封处等效阻尼取cm时的模态固有频率；
以各阶环型密封处交叉刚度k1、k2、k3...kn为算例时，环型密封处等效阻尼依次取c1、c2、c3...cm时I阶模态阻尼比为：
XiI＝(xi1、xi2......xim)，
其中：i＝1，2，3...n，xim为当环型密封处交叉刚度分别为k1、k2、k3...kn为算例时I阶模态振型中环型密封处等效阻尼取cm时的模态阻尼比值。


3.根据权利要求2所述的一种基于阻尼比分析的多级离心泵环形密封设计方法，其特征在于：
所述步骤3包括：
步骤3.1、根据转子系统与壳体结构参数，以I阶固有频率fiI与工作转速对应的频率f工之频率比M作为自变量，模态阻尼比XiI为因变量，构造模态阻尼比ξ评价函数Fkc；
步骤3.2、求解各区间评价函数Fkc最小值时对应的环形密封处交叉刚度k*和环形密封处等效阻尼c*
若0.2≤M≤0.3，当Fkc＝-|fI(k，c)-0.012|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为ka，环形密封处等效阻尼c*为ca；
若0.3＜M≤0.4，当Fkc＝-|fI(k，c)-0.019|2取最小值时，环形密封处交叉刚度k*为kb，环形密封处等效阻尼c*为cb；

【专利技术属性】
技术研发人员：翟璐璐，卢超，吕蔡瑜，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33