（化工过程机械专业论文）旋喷泵的振动特性分析与研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 旋喷泵是一种极低比转速泵，它作为世界上最简单的泵，高效节能、稳定 可靠，大量应用于炭黑、食品、化工以及深井采矿系统中用以提供小流量高扬 程的稳定出流。我国是从九十年代末开始引进旋喷泵，目前国内对旋喷泵的结 构设计以及内部流动状况研究比较多，而对其振动问题的研究还没有见到。旋 喷泵在使用过程中出现振动剧烈，集流管中段断裂的情况，导致维修频率高。 为了解决和预防旋喷泵振动问题的发生，研究其振动机理，预测导致振动发生 的激励力，对其进行振动特性分析具有重要的意义。 本文从振动理论、旋喷泵的特点和研究现状出发，运用数值模拟技术，在 分析旋喷泵内部流场和压力脉动的基础上，深入研究了结构的振动特性，为工 程应用提供参考。本文的主要研究内容有： 1 、介绍了旋喷泵的工作原理，综合概述了旋喷泵和流体诱导振动的研究历 史和现状，明确了本文的主要研究内容和研究方法。 2 、应用p r o e 软件分别对旋喷泵的结构实体和流道进行了三维建模，并用 i c e m 对模型进行了非结构网格的划分。利用c f x 软件，基于标准k s 湍流模 型和大涡模型对旋喷泵内部三维流场分别进行了稳态和瞬态的数值模拟。根据 数值模拟结果，分析内部三维流场的流动特性及压力脉动情况，初步预测了流 体诱导振动的原因。 3 、将旋喷泵的实体有限元模型导入到w o r k b e n c h 软件中，把流场计算中得 到的固体表面压力加载到实体模型上，进行单向流固耦合的静应力分析，发现 集流管的第二个拐弯处受到的应力较大，容易变形产生振动。在此基础上进行 有预应力的结构模态分析，得到其自振频率和振型。旋喷泵的内部流动与外部 泵体结构之间相互作用，易引起共振或加剧振动。因此通过比较结构固有频率 与流场压力脉动频率，分析了共振问题。 4 、结合上面的分析，对集流管的外部结构进行了改进，提高了其应力强度 和固有频率，避免了与流场压力脉动产生共振，为结构的优化设计提供了参考。 关键词：旋喷泵，振动，流动特性，数值模拟，压力脉动，模态分析 旋喷泵的振动特性分析与研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o t o - j e tp u m pi sav e r yl o ws p e d f i es p e e dp u m p a st h em o s ts i m p l ep u m p i nt h ew o r l d ，i ti se n e r g ye f f i c i e n t ，s t a b l ea n dr e l i a b l e s oi ti sw i d e l yu s e di nc a r b o n b l a c k ，f o o dp r o d u c t i o n ，c h e m i c a li n d u s t r ya n dd e e pw e l lm i n i n gs y s t e mt os u p p l yt h e s t e a d yo u t f l o ww i t hl o wf l u xa n dh i g hp r e s s u r e o u rc o u n t r yb e g a nt oi n t r o d u c et h i s t y p ep u m pi nt h el a t en i n e t i e s t h er e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a ld e s i g na n di n t e r n a lf l o w o fr o t o - j e tp u m pi sm o r e ，b u tt h es t u d yo fi t sv i b r a t i o np r o b l e m si sv e r yp o o rn o w d u r i n gt h eo p e r a t i o no fs o m er o t o q e tp u m p ，t h e yg e tt h ep r o b l e mo fc e n t r a lf r a c t u r e i np i c k - u pt u b ea n ds e v e r ev i b r a t i o n , w h i c hl e a d st ot h eh i g hf r e q u e n c yr e p a i r i n o r d e rt op r e v e n tt h er o t o - j e tp u m pv i b r a t i o n ，i ti sm e a n i n g f u lt os t u d yt h ev i b r a t i o n m e c h a n i s m ，p r e d i c tt h e e x c i t a t i o nf o r c eo fv i b r a t i o na n da n a l y z et h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c t h ev i b r a t i o nt h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c hh i s t o r yo fr o t o - j e tp u m pa r e r e v i e w e d b a s eo nt h ea n a l y s i so fi n t e r n a lf l o wf i e l da n dp r e s s u r ep u l s ei nr o t o q e t p u m pw i t l lc f ds o f t w a r e ，t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs t r u c t u r ea r ei n d e p t h s t u d i e d t h a tc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h em a i nw o r ko f t h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1 t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，r e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t u so fr o t o - j e tp u m p a r ei n t r o d u c e d ，w h i c hm a k et h er e s e a r c hc o n t e n ta n dm e t h o d sc l e a r l y 2 s o l i dm o d e l so fb o d ya n df l u i dc h a n n e lo fr o t o - j e tp u m pa r eg e n e r a t e db y u s i n gp r o e t h ei c e mi su s e dt og e n e r a t eu n s t r u c t u r e dg r i do ft h em o d e l s b a s eo n t h es t a n d a r dk ft u r b u l e n c em o d e la n di e sm o d e l ，t h es t e a d ya n dt r a n s i e n ti n n e r 3 df l o wf i e l do fr o t o - j e tp u m pa r ec a l c u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、加t l lc f x s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s s u r e p u l s eo f3 df l o wf i e l da r ea n a l y z e d t h er e a s o n sf o rf l o w - i n d u c e dv i b r a t i o na r e p r e l i m i n a r yf o r e c a s t e d 3 t h es o l i df i n i t ee l e m e n tm o d e lo fr o t o - j e tp u m pa l ei m p o r t e dt ow o r k b e n c h s o f t w a r e t h ep r e s s u r eo ff l o wf i e l di sl o a d e do nt h es o l i ds u r f a c e t h eo n e - w a y 川 旋喷泵的振动特性分析与研究 f l u i d - s o l i dc o u p l i n gt e c h n i q u ew a su s e dt os o l v et h es t a t i cs t r e s s t h ea n a l y s i sr e s u l t s s h o wt h a t ：t h ep o s i t i o no fl a r g e s ts t r e s si sa tt h es e c o n dt u mo fp i c k - u pt u b e ，t h a tw i l l b e c o m ed e f o r m e de a s i l ya n di n d u c ev i b r a t i o n o nt h i sb a s i s ，ap r e s t r e s s e ds t r u c t u r a l m o d a la n a l y s i si sc a r r i e do u t t h e ni t sn a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d a ls h a p e sa r e e x t r a c t e d t h ei n n e rf l o wf i e l da n dt h es t r u c t u r eo fr o t o - j e tp u m pa f f e c te a c ho t h e r , t h a tw i l li n d u c er e s o n a n c ev i b r a t i o no re x a c e r b a t ev i b r a t i o n t h e r e f o r e ，r e s o n a n c e v i b r a t i o ni sa n a l y z e db yc o m p a r i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c yo fs t r u c t u r ew i t hp r e s s u r e p u l s ef r e q u e n c y o ff l o wf i e l d 4 c o m b i n a t i o no fa b o v ea n a l y s i s ，t h es t r u c t u r eo fp i c k - u pt u b eh a sb e e n o p t i m i z e dt oi n c r e a s es t r e s si n t e n s i t ya n dt h en a t u r ef r e q u e n c y t h a ta v o i dt h ec o u p l e v i b r a t i o nb e t w e e nf l o wf i e l da n ds t r u c t u r a l i tp r o v i d er e c o m m e n d a t i o n so nt h e s t r u c t u r ed e s i g no fr o t o - j e tp u m p ， k e yw o r d s ：r o t o - j e tp u m p ，v i b r a t i o n ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p r e s s u r ep u l s e ，m o d a la n a l y s i s i v 江苏大学硕士学位论文 符号表 流量，m 3 hh扬程，m 转速，r m i n巩比转速 压力，p av平均速度，m s 湍动能，m 2 s 2 占 湍动能耗散率，m 2 s 3 雷诺数07角速度 叶轮直径，r a i n w 相对速度，m s 密度，k g m 3 z叶片数 翼型弦长，f i l m 厂频率，h z 重力加速度，m s 2 质量流量，k g s 湍流强度 叩效率 湍流粘性系数，p a s 水力效率 时间，s 1 i ,容积效率 扩散角，度( 。) 机械效率 翼型安放角，度( 。) 0 圆周角，度( 。) 弹性模量，p a 动力黏度，p a s 泊松比 y 运动黏度，m 2 s 下标 1 叶片进口 2叶片出口，叶轮外缘 r a i n最小值 m a x最大值 v l i q ” p 七 r d 夕f g ， 仇r 口e 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的意义 第一章绪论 振动是指物体在其平衡位置附近的一种交变运动，可以用运动的位移、速 度或加速度随时间的变化来描述。机械振动是工程技术和日常生活中常见的物 理现象。振动具有有害的一面，如振动破坏机器的正常工作，缩短机器的使用 寿命，产生振动噪声等【1 1 。现在，环保问题已经越来越得到国家的高度重视，振动 引起的噪声污染作为环境污染的一个方面也越来越重要，它已经成了环保的一 个重要指标。随着人民生活质量的提高，振动噪声问题也越来越受到人们的重 视，成为设备品质保证的一个重要指标。 大型旋转机械如风机、压缩机和汽轮机等设备，是石油、化工、冶金和电 力等现代企业中的关键生产工具，对这些设备进行状态监测与故障诊断，保证 设备安全可靠的运行，可以取得巨大的经济效益。而大型旋转机械的故障通常 是通过振动和噪声的状况体现出来的。大量机电设备在运转时辐射出强烈的噪 声，综合反映了该设备在运转过程中的各种振动现象，并产生很大的环境污染问 题。现代工业对各种高新机电产品提出了低振动、低噪声、高抗振能力的要求， 为了从根本上解决噪声问题，有效的降低振动噪声污染，对设备进行噪声与振 动的分析研究，找出设备的主要振动噪声源，由此探寻它的发声机理和确定减 振降噪的措施，保证设备安全可靠的运行。因此对设备的振动和噪声问题进行 分析研究有很大的经济价值。 泵是工业生产中重要的过程设备，作为石油、化工、冶金等现代企业中的 关键生产工具，探究它的振动噪声源，提高运行安全和可靠性具有良好的经济 效益和社会效益。旋喷泵作为世界上最简单的泵，高效节能、稳定可靠，可以 广泛取代目前应用于小流量、高扬程领域中的多级离心泵、高速泵以及柱塞往 复泵等同类工况的高压泵产品，大量应用于造纸、石油、化工、炭黑、冶金、 化肥等各个领域1 2 1 。随着它的应用越来越广泛，对它的振动噪声问题的研究也 尤为重要。为了解决和预防旋喷泵的振动噪声问题的发生，研究其振动机理， 预测导致振动发生的激励力、振动的幅值和频谱，对其进行振动噪声分析很有 1 旋喷泵的振动特性分析与研究 必要。 1 2 旋喷泵的结构与功能 旋喷泵( 旋转喷射泵) 又称为皮托管泵，是美国贝克公司根据航天冲压发 动机滞止冲压的原理于二十世纪八十年代初研制成功的新型泵。旋喷泵属于高 扬程、小流量泵。它有两个过流部件，旋转的圆形壳体( 转子腔) 和壳体中心 固定的皮托管，是一种结构十分简单的泵，国外称之为世界上结构最简单的泵。 旋转喷射泵是基于离心增压和滞止冲压两个物理作用而实现对流体作功的 原理。离心增压的过程是由一个高速旋转的叶轮，把流体从轴心入口吸入，在 离心升力作用下甩到叶轮外缘的径向出口，使流体压力得以升高。而滞止冲压 的过程是通过离心增压升高的流体在包容叶轮的一个转子内，继续高速旋转时 被一个接收管滞止，其旋转速度的动能被进一步转化为流体的压力滞止冲 压作用。因为接收管口径小，所以泵的流量可以设计很小，而扬程却很高。旋 喷泵的结构示意图如下： 出口 入口 图1 1 旋喷泵结构不意图 转子腔是与叶轮固定在一起的，与叶轮一起高速旋转的圆柱状腔体，集流 管固定安装在转子腔内静止不动，转子腔与集流管一起起到常规泵的蜗壳的作 用。旋喷泵是利用滞止冲压原理，液体在中心沿轴向进入壳体，在壳体的外缘 部分，液体因离心力作用而增加其压力和速度。皮托管集流管具有对着旋转方 向的开口，并最于接近壳体外壁处，这样可把液体的大部分动能转化为静压力。 江苏大学硕士学位论文 而后，液体通过集流管支撑臂中的孔道回到泵的中心，并排到排出管【3 】。转子 腔本身不对液体做功，没有能量的输入。为了安全起见，旋转壳体通常封闭在 静止的第二层壳体或转子套中。 旋喷泵的优点有以下几点【4 l ： l ) 在相同的使用条件下，比容积式泵或多级泵尺寸小，成本低，具有平滑 的流量，无脉动。因为在液流中，没有紧密配合的零件，即使干运转也不会磨 损。 2 1 旋喷泵由于转子腔和叶轮随泵轴一起旋转，所以没有圆盘摩擦损失，叶 轮出口角度大，且液体流出叶轮后进入转子腔，液体在转子腔中具有稳定过程。 由于多级泵圆盘摩擦损失大，所以旋喷泵用于低比转速的高扬程、小流量工况 下，效率还是明显高于多级泵。 3 ) 旋喷泵零件少，比多级泵和高速泵简单，因此它更可靠、更经济，且便 于装拆及维护。 舢旋喷泵只在进1 ：3 处设有机械密封，泵进e l 压力一般不高，容易密封。高 压出水端在静止的集流管内，不存在密封问题，所以解决了高压泵普遍存在的 密封难题。 5 ) 旋喷泵轴向力较小，用径向推力轴承就可承受，并且它可通过简单的改 变集流管喉部直径来改变流量，通过改变转速可改变其扬程，便于系列化。 由于旋喷泵的以上特点，被广泛应用于石化、食品、造纸、冶炼、炭黑等 行业。在近年的化工设备中用旋喷泵替代部分高压多级泵及高速泵越来越多， 随着国内对其技术的成熟开发，它将在国内得到更加广泛的应用。 1 3 振动问题国内外研究现状 1 3 1 旋喷泵的国内外研究进展 国外对旋喷泵的研究起步较早，1 9 2 3 年e w k r o g h 把皮托管的原理应用在 泵的设计上，提出了旋喷泵的结构原理。当时的泵是开式的，直到二十年代人 们才研制出了闭式的旋喷泵。2 0 世纪6 0 年代形成了基于皮托管原理的旋喷泵模 型，并在美国出现了旋喷泵的专利：7 0 年代，k o b e 公司购买了旋喷泵的专利并 3 旋喷泵的振动特性分析与研究 生产了第一台商业上的旋喷泵，从此旋喷泵走向了市场。7 0 、8 0 年代国际上出 现关于旋喷泵的专利高潮。目前国外的旋喷泵逐渐系列化，并具有较为满意的 性能【5 1 。但是国外的论文报道很少见，目前能搜集到的只有s t e v eo s b o m 介绍的 旋喷泵2 5 年来的发展历史，t h o m a sl a n g e l 等介绍了旋喷泵与一种开关磁阻电 机的组合，这种组合能使旋喷泵的结构更为紧凑，使它的扬程调节更加方便。 我国最早引进旋喷泵是在1 9 8 7 年，引进了美国的r o $ 2 6 6 型旋喷泵，用于 炭黑新工艺改造中原料油的输送。1 9 8 8 年以龙兴茂、董长善等为代表对旋喷泵 的结构原理进行初步研究，并对美国贝克休斯公司的旋喷泵进行了介绍【q 。1 9 8 9 年北京化工机械厂开始对旋喷泵进行调研和试制，1 9 9 2 年通过了化工部的鉴定。 随着旋喷泵的引进，国内开始对旋喷泵的结构原理、工作特点及水力性能等进 行了深入的研究。杨军虎、齐学义等研究了旋喷泵的设计和性能，提出了类似 高速离心泵长短叶片相问的复合式叶轮设计方法，分析了旋喷泵内部流场规律； 田爱民、程云章等主要对旋喷泵内部流场进行了数值模拟，并与实验进行了对 比分析。 从文献看来我国旋喷泵的研究起步较晚，目前大部分学者还是对旋喷泵的 结构设计和内部流场规律研究的比较多。 ：、 1 3 2 相关旋转机械的振动研究分析 旋喷泵属于旋转机械，旋转机械的振动有多方面的原因，既有结构的振动， 也存在流体诱导振动。流体诱导振动是指浸在流体中或传输流体的结构产生振 动的现象，是作用在结构上的流体力、阻尼力和弹性力之间的相互作用的结果。 而同时考虑流体诱导振动和结构振动的研究早期出现在国外： 早期美国的航天飞机主发动机涡轮泵设计及试验中出现一些超预期的振动 噪声及稳定性问题，为此美国国家航空和航天管理局资助加州理工大学分析及 测量流体诱导振动及其造成的稳定性。 2 0 世纪7 0 年代开始，以t kc a u g h e y 、c eb r e n n e n 等为代表的学者在近4 0 年时间内对作用于离心泵叶轮转子上的稳态、瞬态作用力及振动稳定性问题进 行理论和试验研究。 2 0 0 3 年丹麦学者m a l a n g t h j e m 和n o l h o f f 分析了流体诱导振动噪声的产生 4 江苏大学硕士学位论文 机理，提出了预测诱导噪声源的声学模型和降低诱导噪声的水力设计方法。 2 0 0 5 年k a t oc 等人使用了顺序流固耦合的方法预测了多级离心泵的噪声并 用实验验证。 2 0 0 7 年日本学者y y j i a n g 等，通过c f d 软件用流固弱耦合法对多级离心泵全 局进行数值模拟，定性分析了振动噪声问题并用实验验证其模拟结果的准确性。 国内对流体诱导振动的研究起步的较晚，最早在叶片旋转机械上引起重视 的大多是针对汽轮机、水轮机的振动问题，随着技术的进步，泵的流体诱导振 动问题也得到了关注。 1 9 9 5 年，何希杰、于禧民对几种类型泵的振动情况进行了实验分析，然后 对叶轮和泵体的水力设计进行了优化。 2 0 0 4 年，吴仁荣、陈文毅对降低离心泵运行振动的水力设计方法做了比较 全面的分析，总结振动噪声产生的各种因素，并提出了相应的优化设计方法。 2 0 0 6 年，叶建平在只考虑受径向力作用下，用有限元分析软件对离心泵的 振动响应及声场进行分析，并对离心泵进行优化设计。 2 0 0 8 年，黄国富、常煜等人应用c f d 技术对泵内整体三维流动进行了数值 模拟，深入剖析了离心泵的水动力振动噪声源。 2 0 0 9 年，袁启铭用a n s y s 软件对泵叶片进行结构计算分析，并采用把流场 水压力加载到叶片上的耦合方法进行振动特性分析。 从国内外研究状况可看出，目i ； 已有很多学者在叶片泵研究中考虑到流场 对结构的影响，使用单向流固耦合( 即只考虑流体对结构的作用) 进行振动分 析，但对于旋喷泵还专注于结构设计和内部流场分析，对旋喷泵流体诱导振动 和结构振动问题的研究还没有人做过。 1 4 本文研究的主要内容 国内对旋喷泵的研究还处于探索阶段，在生产运行方面还存在很多问题， 如在使用过程中出现振动剧烈，集流管中段断裂的情况，导致维修频率高川。 针对这一现象，本文对旋喷泵的振动源进行了探索分析，其主要内容有： ( 1 ) 根据旋喷泵的工作原理和结构特点，分析了其受力及工作中可能产生 振动噪声的原因，并指出常遇见的问题。 s 旋喷泵的振动特性分析与研究 ( 2 ) 利用p r o e 软件创建旋喷泵内部流道的三维实体模型，用i c e mc f d 软 件对模型进行有限元网格划分，然后导入到a n s y sc f x 中对三维流场进行数值 模拟。先用基于时均化的方法对流场进行稳态分析，初步了解旋喷泵内部流场 的流动特性；再以稳态的模拟结果作为初始条件，用大涡模拟的方法对流场进 行瞬态分析，从时域和频域的角度分析流场内部振动的主要原因。 ( 3 ) 使用w o r k b e n c h 软件对旋喷泵结构进行了模态分析，包括结构的静力分 析、有预应力的模态分析。其中静力学分析是为了得到结构的预应力及了解结 构的受力情况为模念分析做准备。通过模态分析可以找出结构的主要自振频率， 并与流场的脉动频率作对比，分析共振问题。 ( 4 ) 以上述振动源的分析作依据，对易损部件集流管进行结构改进优化， 并从流场特性和动力响应分析角度验证改进后结构的振动情况是否得到改善。 1 5 本章小结 本章首先介绍了课题的研究意义和背景知识，阐述了振动分析是旋喷泵研 究的一个重要方向，有巨大的经济价值。介绍了旋喷泵的结构原理和特点，进 一步说明了旋喷泵的应用价值。最后针对旋喷泵的发展以及相关机械的振动问 题，分析了国内外的研究进展情况。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章振动问题分析理论基础及有限元理论 2 1 振动的产生和作用机理 旋转机械是指依靠转子旋转运动进行工作的机器，在结构上具备最基本的 转子、轴承等零部件。转子振动的原因大体有：转子涡动幅度大；在周向上产 生不均匀压力分布；转子本身跨距大，刚性不足等。化工设备中大量使用的各 种离心泵、轴流泵、汽轮机、水轮机等是典型的旋转机械。 机器工作过程中由于受到各种非预期力的作用而产生振动，振动即是机器 性能劣化的表现，振动严重时会导致机器元件的损伤和破坏。在旋转机械中， 引起振动的原因具体有以下几点嗍： ( 1 ) 机械位置不良 转子不平衡由于设计错误、材料缺陷、加工装配误差、动平衡方法不正 确、转子弯曲变形、因各种原因引起的转子原始平衡状态破坏，均可能发生转 子的不平衡振动。转子不平衡振动是旋转机械最常见的振动故障。 转子不对中由于机器安装时转子与转子之间对中差、轴承架热膨胀不均 匀、基础或机座变形等原因，可能会引起转子因对中不良产生振动。 轴承工作不稳定滑动轴承装配时错位，由于外力或内力作用轴颈在轴承 内工作位置不良，旋转时不能形成良好的油膜或产生油膜不稳定，轻者发生转 子振动，重者因摩擦而烧毁轴瓦。 热态变形温度较高的机组或管道由于热膨胀不均匀而发生变形。基础、 底板、轴承箱体变形可导致机器振动，转子动、静元件之间摩擦碰撞。转子的 热变形弯曲将发生不平衡振动。 零部件松动或机器底脚松动转子上配合的零部件( 如叶轮、平衡盘、联 轴器等) 工作时松动，轴承的瓦背未压紧，机体的地脚螺钉松动，均会引起机 器振动或转子与静止件的摩擦碰撞。 ( 2 ) 刚性不足 支撑体、基础刚性不足当机器在工作转速下运转时，往往会出现转速频 率及其谐波产生的激励接近支撑体的自振频率而发生机械共振，振幅往往很大。 7 旋喷泵的振动特性分析与研究 转子刚性不足高速转子的转速一般都超过一阶或二阶临界转速，这种转 子称为柔性转子，柔性转子的稳定性相对较差，如果转子工作转速接近转子轴 承系统的一阶或二阶临界转速，将发生共振。 ( 3 ) 摩擦 转子与定子的干摩擦由于转子变形、振动、流体冲击、轴位移过大等原 因，可能发生转子上的平衡盘、止推盘、径向轴承的轴颈与不动的定子部分摩 擦，摩擦不仅产生振动，还会造成零部件损坏。 内摩擦主要是轴上配合件与轴之间的内摩擦与转轴材料弹性滞后产生的 内摩擦。轴上配合件( 叶轮、平衡盘、轴套、迷宫密封套等) 与轴之间的内摩 擦，是由于轴的弯曲或转子不对中作用引起的。内摩擦会引起转子的不稳定振 动。 ( 4 ) 流体激振 压力脉动和声学共振从离心式机械中排出的流体，均存在一定量的压力 脉动成分，当脉动的激励频率与管道的气柱或液柱固有频率接近时，就会激发 管道振动。管道中压力波的反射，又可能引发机器振动或机器零件损坏。多级 高压离心泵的叶轮叶片数和导叶数如果匹配不当，会使排出流体存在较大的压 力脉动，脉动的流体在管道的阀门、弯头和异径管处产生较大的冲击力，激发 管道振动。 旋转失速、喘振、汽蚀在流体机械中，当流体进入叶道时，流体的流动 方向与叶片的安放角方向不一致，就会对叶片产生冲击，冲击产生的漩涡团引 起流体压力脉动，这就是发生旋转失速振动的起因。汽蚀是离心泵中的一种特 有现象，除了泵的金属叶片很快被损坏外，还会引起泵的振动。 滑动轴承油膜振荡、浮环密封和迷宫密封中的流体激振高速滑动轴承由 于设计不当、结构不良、转子受到外力作用等因素，作用在轴颈上的油膜力不 稳定，因而发生油膜失稳。当轴颈在轴承中的涡动频率与转子的自振频率一致 时，就会发生油膜的自激振动，即油膜振荡现象。 ( 5 ) 非线性谐波共振 机械振动中很多情况带有非线性振动特性，非线性振动会激起机械系统的 次谐波振动超谐波振动，故当激励频率接近系统固有频率的i 倍或1 i 倍时，系 8 江苏大学硕士学位论文 统就会出现谐波共振或超谐波共振，这对于激励力较大而阻尼较小的系统，引 发谐波振动的可能性就更大。 2 2 旋喷泵的振动和噪声源分析 旋喷泵是一种典型的旋转式流体机械，运行时会因机械、流体动力学等各 方面的原因而产生振动。在工作过程中存在着多种振动激励源，既有泵本身旋 转运动的振源又有原动机的振动激励，而且当水泵出现故障时其内部还存在冲 击作用，同时水流也会产生一定的冲击作用。这些振动源的振动混合在一起势 必会相互影响，而旋喷泵的振动源很大一部分源于泵体内部，本质上与泵内流 体的水力脉动直接相关，还有来自机械上的振动，而流体诱导的振动是重点和 难点，其理论研究还比较滞后。泵内流体诱导的主要振动噪声源有压力脉动、 汽蚀、回流、漩涡及脱流。 ( 1 ) 压力脉动 压力脉动按成分来分可分三类：一种是频率接近于白噪声的随机脉动，这 种脉动可以认为是随机因素所引起的；一种是频谱为叶频倍频的规律性脉动， 这种脉动可以认为是由于某种固定的因素所产生的，称为叶频倍频脉动；还有 一种是频谱为轴频倍频的规律性脉动，称为轴频倍频脉动。 何秀华在多级泵的实验基础上，探讨了压力脉动的产生机制，指出叶频压 力脉动取决于泵的水力设计；轴频压力脉动取决于动静干扰等因素。并从动静 干扰、二次流和气蚀方面阐述了压力脉动的产生。 传统的泵当叶轮旋转工作时，轴对称的叶轮出口与非轴对称的蜗室壁面之 间的间距处于周期性变化中，会引起叶轮出口流动条件的周期性变化1 9 】。但是 旋喷泵中的叶轮是和转子腔一起旋转的，只有集流管在转子腔内是静止的。由 于转子腔与集流管是相对运动，转子腔内部的流动会受到集流管的干扰，这种 干扰作用是非定常的，则会引起流动的不均匀性。泵内流动的不均匀性将会产 生压力脉动，进而产生非定常力，引起结构的振动。当泵运行于非设计工况时， 泵内压力脉动通常会加剧从而产生更大的振动噪声。流体的压力脉动不仅激励 转子和机体振动，而且在管道内可以以声速传播的更远，如果没有消振措施， 则它的衰减量很小，将会引发管道系统的振动。 9 旋喷泵的振动特性分析与研究 ( 2 ) 汽蚀 当泵的吸入口压力过低时，水在叶轮进口处的低压区发生汽化形成空泡， 进入高压区后，空泡突然溃灭，会对结构产生很大的冲击力，从而引起泵体的 强烈振动。旋喷泵中的集流管是滞止冲压的原理，管里压力较高，如果出现低 压区，那么很可能引起汽蚀造成振动。此外，若加工精度不高的话，如结构的 内壁粗糙有小凹起时，也会引起汽蚀。 ( 3 ) 回流、漩涡及脱流 依照离心泵的经验，在泵叶轮进口会出现回流现象，而回流区域和强度的 频繁变化必然会在泵内诱发强的振动噪声。此外，由于叶轮的叶片工作面和非 工作面存在压力差，会在叶片边产生脱落涡，也会引起振动噪声。旋喷泵是输 出高压流体的，如果设计的流道结构对流体的引导不顺畅，则会在流道中形成 边界层分离、二次流、倒流和局部冲击现象，产生很多漩涡。由于漩涡区的压 力和速度和主流体相差很大，这些漩涡的产生和消失，将引起流体的压力脉动， 激发机器和管道振动。 由于集流管的结构特殊，静止处于高速旋转的转子腔内，且集流管的末端 处于流场的高速区，若结构设计不合理，很容易产生变形引起振动。所以本文 重点研究了集流管的振动情况。 2 3 有限元分析的理论基础 2 3 1c f d 及计算软件简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机 数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做 的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理 量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替， 通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【1 0 l 。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守 恒方程) 控制下对流动的数值模拟。由基本方程可分别导出连续性方程、动量 江苏大学硕士学位论文 方程和能量方程，从而得到n s 偏微分方程组。n - s 方程组是流体流动所必需 遵守的普遍规律。在守恒方程组基础上，加上反映流体流动特殊性质的数学模 型和边界条件、初始条件构成封闭的方程组来数学描述特定流场的流动规律。 通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物 理量( 如速度、压力、温度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时问的变化 情况，确定漩涡分布特性、空化特性及脱流区等。还可据此算出相关的其它物 理量，如旋转式流体机械的转矩、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合还可 进行结构的优化设计。 采用c f d 方法对流体流动进行数值模拟通常包括如下步骤【1 0 】： 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型，就是要建立反映问题各 个量之间关系的微分方程及相应的定解条件即建立控制方程。流体的基本控制 方程常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及这些方程相应 的定解条件。 2 ) 建立针对控制方程的数值离散化方法，如有限差分法、有限元法、有限 体积法等。这罩的计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包 括贴体坐标的建立，初始条件和边界条件的确立等。初始条件与边界条件是控 制方程有确定解的前提，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对 一个物理过程完整的数学描述。 3 ) 编制程序和进行计算。这部分的工作包括计算网格划分、初始条件和边 界条件的输入、控制参数的设定等。采用数值方法求解控制方程时，都是想办 法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空 间域上离散控制方程，必须使用网格。 4 ) 显示和输出计算结果。我们可以采用线值图、矢量图、等值线图、流线 图、云图等方法对计算结果进行表示。 c f d 技术广泛应用于流体流动性质的计算分析中。目前常用的商用c f d 软件有f l u e n t 、c f x 、s t a r c d 等，这些软件的功能大致相同，均包括三个 基本环节：前处理、求解和后处理。它们都提供了各种湍流模型、热力学模型， 并且都可以进行可压缩和不可压缩流体的定常和非定常流动的计算。 i c e mc f d 模块是a n s y s 软件中一个三维基体、半自动、多块结构和非 旋喷泵的振动特性分析与研究 结构、表面和网格生成工具，它作为专业的前处理软件为c a e 软件提供高效可 靠的分析模型。i c e mc f d 所提供的网格生成工具方便快捷，能生成六面体网 格、四面体网格、棱柱体网格( 边界层网格) 、四面体与六面体混合网格、全局 自动笛卡尔网格等。它在生产网格时，可实现边界层网格自动加密、流场变化 剧烈区域网格局部加密、分离流模拟等。c a d 软件中的参数化几何造型工具可 与i c e mc f d 中的网格生成及网格优化等模块直接联接，大大缩短了几何模型 变化之后的网格再生时间。其接口适用于s o l i d w o r k s 、c a t i a 、p 删g i n e e r 、 i d e a s 、u n i g r a p h i c s 等c a d 系统。 a n s y s 软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商 用软件，是现代产品设计中的高级q 缸) q 墟软件之一，已经广泛应用于核工 业、石油化工、航空航天、机械制造、能源、水利等领域。a n s y s 软件能提供 如下的力学分析类型： 1 ) 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。不仅可以进行 线性分析，而且可进行非线性分析，包括材料非线性、几何非线性和单元非线 性。能进行塑性、蠕变等分析。 2 ) 结构动力学分析用来求解结构或部件在随时间变化的载荷作用下的动 态响应，并确定由此产生的应力、应变和变形。可进行结构的瞬态动力学分析、 模态分析、谐波响应分析以及随机振动响应分析。 3 ) 机械动力学分析a n s y s 程序可以分析大型的三维柔体运动，及机械 系统的运动特性，并确定由此产生的应力、应变和变形。 4 ) 流体动力学分析a n s y s 软件中的c f x 模块能进行流体动力学分析， 包括瞬态分析和稳态分析。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的 流率。还可以模拟结构的流体绕流和对流换热效应。 a n s y s 软件还能进行温度场、电磁场和声场的分析。它还能处理多种物理 场的耦合，允许在同一模型上进行热结构、热电、磁结构以及热电磁流体 等多种耦合分析，是我国目l i 应用最多的有限元分析软件。 与其它的有限元软件相比，a n s y s 软件具有以下技术特征t 能实现多场以 及多场耦合功能，具有强大的非线性分析功能；集前后处理、分析求解以及多 场分析于一体，可进行智能网格划分；很强的优化功能，是唯一具有流场优化 江苏大学硕士学位论文 功能的软件；具备快速求解器，是最早采用并行计算技术的有限元分析软件； 从微机、工作站直至巨型机，在所有硬件平台上全部数据文件均兼容，并有统 一的用户界面。可与大多数的c a d 软件如a u t o c a d 、p r o e 、n a s t r a n 、i d e a s 等集成并有接口，具有良好的用户二次开发环境。 2 3 2 湍流数值模拟理论 流体流动要遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍 流输运方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。流体动力学控制方程f 1 1 1 2 1 ： 1 1 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律的数学表达式，描述的是质量守恒，以微小控 制体积为研究对象，可表述为：单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同 一时间间隔内流入该微元体的净质量。用微分方程式表述为： “ 望+ 刿+ 劐+ 刿：o( 2 1 ) a瓠 动 现 张量表达形式为： 害+ 昙b 房0 ( 2 - 2 ) 砍 融；、 式中，p 是流体的密度，为时间，即，为速度矢量，”、1 ，和w 为速度矢量“j 在 x 、y 和z 方向的分量。 若流体为不可压缩流体，密度p 为常数，则连续方程为： 砌 ? = 0 ( 2 3 ) 一一 优j 2 ) 动量守恒方程 动量守恒定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作 用在该微元体上的各种力之和。该定律实际上是牛顿第二定律，由其可导出x 、 y 和z 三个方向的动量守恒方程： 旋喷泵的振动特性分析与研究 掣m 汹) = 一罢+ 等+ 鲁+ 誓+ 只 c 2 4 ， 掣+ d v ( p v u 乒一考+ 笠a x + 堡a y + 誓+ c 2 剐 掣胁胁) = 一老+ 誓+ 鲁+ 誓+ 疋 c 2 删 式中，p 是流体微元体上的压力；毛、k 和气等是因分子粘性作用而产生的 作用在微元体表面上的粘性应力f 的分量；e 、e 和只是微元体上的体力，若 体力只有重力，且z 轴竖直向上，则e = 0 ，f v = 0 ，e = 一昭。 在上式基础上结合本构方程和不可压缩流体的连续性方程，可以得到瞬时 流动的动量方程，也称作运动方程，还称为n a v i e r - s t o k e s 方程即： 一o u i + a ( u t u i ) ：e 一! 鱼+ y ! 坠( 2 - 7 ) 0 t 0 x j l p 瓠l o x j o x j 式中p 为流体压强，l ，为流体的动力粘性系数，e 为i 方向上的体积力分量。 若流体为不可压缩流体，动量方程可以简化为： 旦幽：只一! 鱼+ y ! 坠( 2 - 8 ) 0 x l i p 瓠t 0 x 1 0 x i 3 ) 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。可表述为： 微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热量加上体力与面力对微元体所作 的功。 流体的能量e 通常是内能f 、动能k = i ( u + v 2 + w 2 1 和势能p 三项之和， 针对总能量e 建立能量守恒方程。但是，这样得到的能量守恒方程并不是很好 用。一般是从中扣除动能的变化，从而得到关于内能f 的守恒方程。内能f 与温 度r 之间存在一定的关系，即f _ z ，其中c p 是比热容。这样，可得到以温度 t 为变量的能量守恒方程： 1 4 江苏大学硕士学位论文 掣+ 咖圳珈帏k g r a d t l j + 品 协9 ， 其中，c 。是比热容，t 为时间，k 为流体的传热系数，s 为流体的内热源及由 于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，有时简称舅为粘性耗散项。 流体力学的控制方程可采用不同的离散方式，常见的方法有： 1 、有限差分法：将微分方程离散到网格结点上，将方程中无限小的微分d ， 和d 。等化为有限小的差分缸和血等来求解。 2 、有限元法：将积分形式的基本方程离散到有限小的体积单元里去求解。 它可在求解域内任意划分单元，适用于求解复杂几何形状边界的问题。目l j 有 限元大量用于求解椭圆型方程，而解推进型方程还不够成熟。 3 、有限体积法：将求解域划分有限