一種帶液工況下立式多級離心泵轉子動力學建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于離屯、累轉子動力學設計領域，尤其是設及一種帶液工況的立式多級離 屯、累轉子動力學建模方法。
【背景技術】
[0002] 立式多級離屯、累廣泛應用到化工、石油和電力等行業(yè)，隨著對運行效率和節(jié)能減 排要求的不斷提高，立式多級離屯、累近年來越來越趨向于高轉速、大容量方向發(fā)展。多級離 屯、累轉子系統(tǒng)結構復雜，一般由多級葉輪、軸承、密封、聯(lián)軸器、殼體等多個零部件組成，且 工作轉速多在3000rpmW上，因此在進行傳統(tǒng)的機械強度設計基礎上，往往還得考慮臨界轉 速、振型等動力學特性，使得工作轉速范圍與臨界轉速區(qū)域滿足一定的隔離裕度動力學設 計要求，否則設計出的離屯、累在實際運行過程中容易出現(xiàn)強烈振動、噪聲等問題，甚至引發(fā) 重大安全事故。在離屯、累工作運行過程中，由于液態(tài)工作介質具有一定質量，在累轉子旋轉 離屯、力的作用下，其流動過程也非常復雜，液態(tài)介質與葉輪之間會存在一定的相互禪合作 用。當離屯、累轉子葉輪振動時，與之接觸的液態(tài)介質也會隨著振動，一方面旋轉的葉輪會影 響液態(tài)介質流場的分布，從而改變流體載荷的分布和大??；另一方面，葉輪在流場壓力載荷 的作用下會產(chǎn)生變形?；赪上多方面因素的影響，含液態(tài)工作介質運行的多級離屯、累臨 界轉速和振型有可能會發(fā)生改變，使得離屯、累轉子振動特性變得更加復雜，大幅增加動力 學設計難度。因此，在立式多級離屯、累的動力學設計時，很有必要考慮液態(tài)工作介質對其振 動特性的影響，W構建符合實際工況的帶液工作介質離屯、累轉子動力學模型，準確分析出 臨界轉速與振型，為其結構動力學設計和振動分析提供依據(jù)和參考。
[0003] 目前國內(nèi)外很多學者在累轉子動力學建模與分析方面開展了大量研究工作，其中 Wang等通過分析離屯、累轉子和周圍工作介質的禪合作用，推導了累轉子動力學方程，采用 頻譜分析法計算了累轉子的臨界轉速值。Marscher采用模態(tài)分析法對多級累臨界轉速和振 型進行了分析，但由于帶液工作介質下實際運行工況現(xiàn)場復雜，從含有眾多干擾頻率成分 的通頻信號中無法有效提取出基頻信號，難W通過有限個測點處的響應準確估計分析出累 的臨界轉速和振型。國內(nèi)大多數(shù)廠家對立式多級離屯、累的動力學設計，仍主要針對"干態(tài)" 下轉子進行動力學建模與臨界轉速分析，即在動力學建模過程中沒有考慮液態(tài)工作介質對 累轉子振動特性的影響，導致所建的動力學模型與實際運行工況不吻合，W至于應用"干 態(tài)"下動力學模型分析計算出的臨界轉速值與離屯、累轉子的實際值相差較大，甚至工作轉 速范圍有可能落入共振轉速區(qū)域，使得設計生產(chǎn)的立式多級離屯、累振動過大，性能下降，嚴 重影響離屯、累機組的安全生產(chǎn)與健康運行。綜上所述，為準確分析立式多級離屯、累實際工 況下的動力學行為和振動特性，很有必要在動力學設計過程中采用一種帶液工況下立式多 級離屯、累的動力學建模方法，W更好的開展振動特性分析工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種帶液工況下立式多級離屯、累轉子的動力 學建模方法;它能夠對帶液工況下立式多級離屯、累轉子進行系統(tǒng)臨界轉速與振型應變能分 析，對立式多級離屯、累轉子的設計具有指導作用，并為立式多級離屯、累的動力學設計與振 動分析提供參考，有利于立式多級離屯、累的安全運行，延長立式多級離屯、累的使用壽命。
[0005] 本方法的基本原理與實施流程如圖1所示，具體內(nèi)容包括：
[0006] (1)結合累的構件機殼、葉片、轉軸結構的空間位置，不考慮葉輪、葉片的幾何形 狀，忽略工作介質與葉輪之間的內(nèi)部作用力，采用規(guī)則的圓錐體分別對殼體、轉子、工作介 質進行等效?；?其中，液態(tài)工作介質充滿在轉子、殼體間的環(huán)形空間，根據(jù)轉子、殼體直徑 確定?；h(huán)形空間的內(nèi)半徑和外半徑，構建立式多級離屯、累轉子、殼體與工作介質幾何結 構模型；
[0007] (2)葉輪中的工作介質會隨著累的葉片旋轉而流動，工作介質由于存在粘滯性，在 離屯、力的作用下導致環(huán)形中不同徑向位置處液態(tài)質點的速度不一致，根據(jù)運種速度差異性 對簡化的環(huán)形空間工作介質質量進行分解，分解為轉子附加質量、殼體附加質量、液體禪合 質量Ξ部分質量，并確定轉子附加質量、殼體附加質量、液體禪合質量的計算表達式；
[0008] (3)將立式多級離屯、累轉子沿軸線方向劃分為相應的圓盤、軸端和支承單元，支承 和聯(lián)軸器處約束分別用彈黃和阻尼器表示，在確定轉子附加質量、殼體附加質量、液體禪合 質量的計算表達式的基礎上，分別對離屯、累轉子的圓盤、軸端和支承進行受力分析，建立帶 液工況下立式多級離屯、累轉子動力學方程；
[0009] (4)根據(jù)立式多級離屯、累轉子物理結構實際尺寸和質量參數(shù)，結合立式多級離屯、 累轉子的軸、葉輪、穀、套的密度、剪切模量、彈性模量和滾動軸承剛度值，構建"干態(tài)"下立 式多級離屯、累轉子系統(tǒng)動力學有限元實體模型;其中對于非圓錐體構件，通過Pro/E軟件分 析得到它們的質量、轉動慣量、重屯、位置參數(shù)，根據(jù)其重屯、位置來確定它們在軸上的具體位 置，W剛性圓盤形式來施加等效的質量和轉動慣量參數(shù);對"干態(tài)"下立式多級離屯、累轉子 系統(tǒng)動力學有限元實體模型進行靜力學分析，得到的轉子長度、質量、支承跨距數(shù)值與設計 值對比，按照誤差在5 %范圍W內(nèi)的準則，對"干態(tài)"下立式多級離屯、累轉子系統(tǒng)動力學有限 元實體模型的幾何參數(shù)進行驗證；
[0010] (5)基于步驟(1)構建的立式多級離屯、累中工作介質幾何結構模型和步驟(3)所得 到的帶液工況下立式多級離屯、累轉子動力學方程，將通過轉子附加質量，殼體附加質量和 液體禪合質量計算表達式計算所得轉子附加質量，殼體附加質量和液體禪合質量作為約 束，施加在步驟(4)建立的"干態(tài)"下立式多級離屯、累轉子動力學有限元模型上，從而構建出 帶液工況下立式多級離屯、累轉子系統(tǒng)有限元動力學模型。
[0011] 上述的帶液工況下立式多級離屯、累轉子動力學建模方法中，步驟(1)中：立式多級 離屯、累包括轉子、葉片、葉輪、機殼，轉子和殼體間是質量不可忽略的液態(tài)工作介質;為有效 快速建立離屯、累中工作介質幾何結構模型，模化時將葉片等效為集中質量。
[0012] 上述的帶液工況下立式多級離屯、累轉子動力學建模方法中，步驟(3)中：建立的立 式多級離屯、累轉子系統(tǒng)整體動力學方程為：
[001引 r為"干態(tài)"下轉子系統(tǒng)慣性矩陣;c聲慮流體作用的系統(tǒng)阻尼矩陣皆為考慮流體 作用的系統(tǒng)剛度矩陣；Q為考慮流體作用的系統(tǒng)激勵力矩陣;Gi為考慮巧螺作用的阻尼矩 陣；M;由軸段單元慣性矩陣M:及圓盤單元慣性矩陣M;形成；巧由軸段單元阻尼矩陣C: 及圓盤單元阻尼矩陣C;形成；斟由軸段單元阻尼矩陣< 及圓盤單元阻尼矩陣每形成， 巧，技，U分別為系統(tǒng)的加速度、速度、位移響應。m為液態(tài)工作介質附加質量矩陣，通過矩陣 m對轉子附加質量、殼體附加質量、液體禪合質量進行描述：
[0020] 其中，P為工作介質的密度，扣為模化環(huán)形空間的內(nèi)半徑，化為?；h(huán)形空間的外半 徑，L為?；h(huán)形空間的長度。
[0021] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0022] 本發(fā)明結合帶液工況下累內(nèi)部工作介質質量不可忽略的特點，分析立式多級離屯、 累轉子與工作介質的結構關系，將液態(tài)工作介質的影響分解為轉子附加