（机械工程专业论文）管道系统减振方法及密封间隙流体激振力的影响因素研究.pdf

北京化工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 聊繇一 日期：越：堇：主1 日期：型【兰：亟三2 学位论文数据集 中图分类号 t h 7 0 3 6 3 学科分类号 1 3 0 2 0 5 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 0 3 5密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名裴正武 学号 2 0 1 0 0 1 0 0 3 5 获学位专业名称机械工程获学位专业代码 0 8 5 2 0 1 课题来源“9 7 3 ”计划研究方向管道减振及反旋流减振 论文题目管道系统减振方法及密封间隙流体激振力影响因素研究 关键词管道振动，管道减振，流体激振，蜂窝密封，数值模拟 论文答辩日期2 0 1 2 0 5 3 0 论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师何立东研究员北京化工大学动力机械 评阅人1王华庆 教授北京化工大学故障诊断 评阅人2李国昌 高工北京燕山石化公司机械设备 评阅人3 评阅人4 评阅人5 徽员会捕何亚东研究员北京化工大学 聚合物加工 答辩委员1王华庆 教授北京化工大学故障诊断 答辩委员2薛平 研究员北京化工大学聚合物加工 答辩委员3颜廷俊教授北京化工大学石油机械 答辩委员4张东胜副教授北京化工大学 工程测试与测量 答辩委员5李国昌高工北京燕山石化公司机械设备 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( c b a 13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 管道系统减振方法以及密封间隙 流体激振力影响因素的研究 摘要 在石油化工领域中，管道系统的振动已经成为一种很普遍的现象。它 对企业的安全生产造成了很大的威胁，也是很多火灾和爆炸事故的直接原 因。在转子密封系统中，转子的偏心所导致的流体激振现象日益成为高速 旋转机械的重大安全隐患，全世界每年因流体激振所损坏的机械也不计其 数。针对这两大人们备受关注的问题，本文主要了以下工作： ( 1 ) 结合实际工程案例分析和总结了管道以及管道附件振动的常见 原因，运用f l u e n t 流体计算软件对管道弯头内流场进行模拟，分析出 影响弯头冲击力的因素，为管道减振提供了理论依据。 ( 2 ) 主要以两个管道减振实际工程案例讲述了如何根据实际情况来 对管道进行有效减振，结合实际分析了新型液体粘滞阻尼器的减振原理及 其优点。 ( 3 ) 分析了流体激振产生的根本机理，并运用f l u e n t 流体计算软 件对转子偏心时光滑密封间隙流场进行模拟，分析出转子偏心时密封间隙 的流场特征，通过控制变量法分析出影响流体激振里的主要因素。 ( 4 ) 运用f l u e n t 软件对转子偏心时蜂窝密封间隙流场进行数值模 拟，分析流场特性，并将蜂窝密封和光滑密封所产生的流体激振力进行对 比，证明了蜂窝密封可以有效减小转子密封系统的流体激振力。 关键词：管道振动，管道减振，流体激振，蜂窝密封，数值模拟 北京化工大学硕士学位论文 摘要 r e s e a r c ho nd a m p i n gm e t h o do fp i p e - s y s t e m a n di n f l u e n c i n gf a c t o r s o ff l u i d e x c i t i n gf o r c ei ns e a lg a p a b t r a c t i nt h ef i e l do fp e t r o l e u ma n dc h e m i c a l ，v i b r a t i o no f p i p e s y s t e mh a s b e c o m eav e r yc o m m o n p h e n o m e n o n i tm a k e sas i g n i f i c a n tt h r e a t e nt os a f e t y a n dp r o d u c t i o no fe n t e r p r i s ea n di ti sa l s ot h ed i r e c tc a u s eo f al o to ff i r ea n d e x p l o s i o na c c i d e n t s i nr o t o ra n ds e a ls y s t e m ，t h ef l u i de x c i t a t i o nc a u s e db y e c c e n t r i c i t yo fr o t o ri sb e c o m i n gam a jo rt h r e a t e nf o rh i g h s p e e d r o t a t i n g m a c h i n e r y , a n dc o u n t l e s sm a c h i n e sb r e a kd u et ot h ef l u i de x c i t a t i o ne a c hy e a r a l lo v e rt h ew o r l d i nt h ea i mo fs o l v i n gt h e s et w op r o b l e m s ，t h e f l o w i n g w o r k sh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r ： ( 1 ) a n a l y s i sa n ds u m m a r yo nt h ec o m m o nr e a s o nw h yp i p e s y s t e m v i b r a t e sh a v eb e e nm a d e f l o wf i e l d i n p i p ee l b o ww a ss i m u l a t e dw i t h s o f t w a r eo ff l u e n t ，a n df a c t o r se f f e c t i n gi m p a c t i o no f e l b o ww e r ef i g u r e do u t ， w h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rd a m p i n go f p i p e s y s t e m ( 2 ) a ne x a m p l ew a sm a d ew i t ht w or e a lp r o j e c t s i ti n v e s t i g a t e dh o wt o c o n t r o lv i b r a t i o no fp i p e a c c o r d i n g t oa c t u a l s i t u a t i o n ，r e p r e s e n t e d t h e p r i n c i p l ea n dt h ei n s t a l l a t i o nm e t h o do fn e wv i s c o u sd a m p e r , w h i c hp r o v i d e d p r a c t i c a lb a s i sf o rd a m p i n go fp i p e s y s t e m ( 3 ) t h eb a s i cp r i n c i p l eo ff l u i di n d u c e dv i b r a t i o nw a sa n a l y z e da n dl o t s o fs i m u l a t i o n so ff l o wf e l dc h a r a c t e r i s t i ci ns e a lc l e a r a n c ew e r em a d ew i t h s o f t w a r e o ff l u e n tw h e nr o t o rp r o d u c e sa ne c c e n t r i cq u a n t i t y t h em a i n f a c t o r se f f e c t i n ge x c i t a t i o nf o r c ew e r ef i g u r e do u tb yc o n t r o lv a r i a b l em e t h o d ， w h i c hp r o v i d e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o rr e d u c i n gt h ef l u i de x c i t a t i o no fr o t o r ( 4 ) t h es o f t w a r e o ff l u e n tw a su s e dt os i m u l a t et h ef l o wf i e l di n h o n e y c o m bs e a lg a pw h e nt h er o t o rh a se c c e n t r i c i t y t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l u i dw e r ef i g u r e do u t c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ev i b r a t i o nf o r c ei ns m o o t hs e a l a n di nh o n e y c o m bs e a lw a sm a d e ，w h i c hp r o o f e dt h a th o n e y c o m bs e a lc a n r e d u c et h ee x c i t i n gv i b r a t i o nf o r c e k e y w o r d s ：v i b r a t i o no fp i p e l i n e s ，p i p e l i n ed a m p i n g ，f l u i di n d u c e dv i b r a t i o n ， h o n e y c o m bs e a l ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及背景1 1 1 1 课题来源1 1 1 2 课题背景1 1 2 管道振动的理论分析2 1 3 管道振动原因分析3 1 4 管道减振方法及措施4 1 4 1 合理配管4 1 4 2 缓冲消振器减振5 1 4 3 管道阻尼减振器减振6 1 5 反旋流技术介绍7 1 5 1 流体激振的概念7 1 5 2 传统反旋流技术8 1 6 吸气反旋流技术及其发展8 1 7 本文的主要研究内容9 第二章管道系统振动原因分析1 1 2 1 引言11 2 2 管道结构共振1 2 2 2 1 管道模态计算1 3 2 2 2 管道振动原因分析1 4 2 3 气流压力脉动1 5 2 3 1 气流脉动原因1 5 2 3 2 气流脉动力的计算1 6 2 3 3 气流脉动导致管道振动实例1 7 2 4 影响流体对管道弯头冲击力因素的研究1 7 2 4 1 弯头流道的建模一1 8 2 4 2 计算结果及分析1 9 2 5 管道附件的振动2 6 2 5 1 泵的振动2 6 v 北京化工大学硕士学位论文 2 5 2 阀门的振动分析实例2 8 2 6 本章小结2 9 第三章管道减振实际工程案例3 1 3 1 引言3 1 3 2 中石化天津( 中沙) 分公司丁二烯车间e 5 1 0 换热器出口管道减振项目3 1 3 2 1 项目背景介绍3 1 3 2 2 管道系统参数及振动情况3 2 3 2 3 利用a n s y s 软件对管道系统进行模态分析3 2 3 2 4 管道振动原因分析3 5 3 2 5 阻尼减振原理3 5 3 2 6 阻尼器支撑结构的设计3 8 3 2 7 减振方案的实旌及减振效果4 1 3 3 抚顺石油二厂离心泵入口d n 5 0 管道减振项目4 2 3 3 1 项目背景介绍4 2 3 3 2 管道参数及振动情况4 3 3 3 3 利用a n s y s 软件对管道系统进行模态分析4 3 3 3 4 管道振动原因分析4 4 3 3 5 减振方案的确定以及校核4 5 3 3 6 减振方案的实施及减振效果4 8 3 4 本章小结4 8 第四章光滑密封间隙流体激振力的影响因素研究5 1 4 1 引言5 l 4 2 流体激振机理5 1 4 3 光滑密封计算模型和数值计算方法5 3 4 3 1 计算模型5 3 4 3 2 计算方法及设置5 5 4 4 计算结果及分析5 5 4 4 1 转子偏心时密封间隙流场特征5 5 4 4 2 偏心量对激振力的影响5 7 4 4 3 转子转速对流体激振力的影响6 0 4 4 4 进口预旋度对流体激振力的影响6 3 v i 目录 4 5 本章小结6 6 第五章蜂窝密封间隙流体激振力影响因素研究6 9 5 1 引言6 9 5 2 计算模型及方法6 9 5 3 计算结果及分析7 1 5 3 1 蜂窝密封间隙流场特性7 1 5 3 2 偏心量对激振力的影响7 3 5 3 3 转子转速对激振力的影响7 4 5 3 4 进口预旋度对激振力的影响7 6 5 4 光滑密封和蜂窝密封激振力的比较7 7 5 5 本章小结7 9 第六章结论与展望8 1 6 1 结论8 1 6 2 展望8 2 致谢8 5 参考文献8 7 研究成果及发表的学术论文9 1 作者和导师简介一9 3 v i i 北京化工大学硕士学位论文 v i i i c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s u b j e c ts o u r c ea n db a c k g r o u n d 1 1 1 1s u b j e c ts o u r c e 1 1 1 2s u b j e c tb a c k g r o u n d 1 1 2t h e o r e t i c a la n a l y s i so f p i p ev i b r a t i o n 2 1 3c a u s ea n a l y s i so f p i p ev i b r a t i o n 3 1 4p i p e l i n ed a m p i n gm e t h o d sa n dm e a s u r e s 4 1 4 1r e a s o n a b l ep i p i n g 4 1 4 2b u f f e rd a m p i n g 5 1 4 3p i p e l i n ed a m p e rd a m p i n g 6 1 5i n t r o d u c t i o no fa n t i c y c l o n et e c h n o l o g y 7 1 5 1p r i n c i p l e so ff l u i de x c i t a t i o n 7 1 5 2t r a d i t i o n a la n t i c y c l o n et e c h n o l o g y 8 1 6t h ei n s p i r a t o r ya n t i c y c l o n et e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p m e n t 8 1 7t h em a i nr e s e a r c hi nt h ep a p e r 9 c h a p t e r2v i b r a t i o nc a u s ea n a l y s i so fp i p i n gs y s t e m s 11 2 1i n t r o d u c t i o n 11 2 2p i p e l i n es t r u c t u r er e s o n a n c e 12 2 2 1p i p e l i n em o d es t a t ec a l c u l a t i o n 1 3 2 2 2c a u s ea n a l y s i so f p i p ev i b r a t i o n 1 4 2 3a i rp r e s s u r ep u l s a t i o n 15 1 3 1t h er e a s o n so fa i r f l o wp u l s e 15 2 3 2a i r f l o wp u l s ep o w e rc a l c u l a t i o n 16 2 3 3g a sp u l s a t i o ni n s t a n c e 17 2 4r e s e a r c ho nf a c t o r so f i m p a c t i n gf o r c ei ne l b o w 17 2 4 1e l b o wm o d e l i n g 18 2 4 2r e s u l t sa n da n a l y s i s 一19 2 5t h ev i b r a t i o no f t h ep i p i n ga c c e s s o r i e s 2 6 2 5 1v i b r a t i o no f p u m p 2 6 2 5 2v a l v ev i b r a t i o na n a l y s i si n s t a n c e 2 8 i x ! ! 室丝三莶兰堡主兰垡鲨奎 2 6c h a p t e rs u m m a r y 2 9 c h a p e r 3p i p e l i n ed a m p i n gc a s e 3 1 3 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r a ma n dc h e c k ”4 5 3 3 6i m p l e m e n t a t i o no f t h ep r o g r a ma n dt h ee f f e c to f d a m p i n g 4 8 3 4c h a p t e rs u m m a r y 4 8 c h a p t e r4r e s e a r c ho ni n f l u e n c i n gf a c t o r so f f l u i de x c i t i n gv i b r a t i o nf o r c e i ns m o o t hs e a lg a p 5 1 4 1i n t r o d u c t i o n 5 1 4 2p r i n c i p l e so f f l u i de x c i t a t i o n 5 1 4 3m o d e la n dm e t h o do fc a l c u l a t i o n 5 3 4 3 1c o m p u t a t i o n a lm o d e l 5 3 4 3 2c a l c u l a t i o nm e t h o d sa n ds e t t i n g s 5 5 4 4r e s u l t sa n da n a l y s i so f c a l c u a t i o n 5 5 4 4 1f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e a lg a pw h e nt h er o t o re c c e n t r i c i t y 5 5 4 4 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne c c e n t r i ca m o u n ta n dt h ee x c i t i n gf o r c e 5 7 4 4 3t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i o ns p e e da n dt h ee x c i t i n gf o r c e 6 0 x c o n t e n t s 4 4 4t h ei m p o r to f p r e c u r la n dt h er e l a t i o n s h i po f t h ee x c i t i n gf o r c e 6 3 4 5c h a p t e rs u m m a r y 6 6 c h a p t e r 5r e s e a r c ho ni n f l u e n c i n gf a c t o r so ff l u i dv i b r a t i o ne x c i t i n gf o r c e i nh n o e y c o m bs e a lg a p 6 9 5 1i n t r o d u c t i o n 6 9 5 2c a l c u l a t i o nm o d e la n dm e t h o d 6 9 5 3r e s u l t sa n da n a l y s i s 7 1 5 3 1c h a r a c t e r i s t i c so f f l o wf i e l di nh o n e y c o m bs e a lg a p 7 1 5 3 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e ne c c e n t r i ca m o u n ta n dv i b r a t i o nf o r c e 7 3 5 3 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o t a t i n gv e l o c i t ya n dv i b r a t i o nf o r c e 7 4 5 3 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e c u r la n dv i b r a t i o nf o r c e 7 6 5 4c o m p a r i s o nb e t w e e nh o n e y c o m bs e a la n ds m o o t hs e a l 7 7 5 5c h a p t e rs u m m a r y 7 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n d o u t l o o k 8 1 6 1c o n c l u s i o n 81 6 2o u t l o o k 8 2 a c k n o w l e d g e m e n t s 8 5 r e f e r e n c e s 8 7 r e s e a r c ha n dp u b l i s h e dp a p e r s 9 1 a u t h o ra n di n s t r u c t o r s 9 3 x i 北京化工大学硕士学位论文 x l i 符号说明 符号说明 压力不均度 转子转速，r a d s 压力，m p a 流量不均度 壁厚( 两相邻蜂窝孔间的最小间距) ，i n t o 半径密封间隙，m i l l 质量，k g 刚度，n s 激振频率，h z 许用应力，m p a 激振力与偏心方向的夹角，。 阻尼比 密封长度，m n l 密封面内径，m l n 蜂窝深度，m m 蜂窝平行面之间的距离，m m x i i i 厌 n a 妨乃 a 尬 缸 乒凹仇 出 厶 协 凰 北京化工大学硕士学位论文 x i v 第一章绪论 1 1 课题来源及背景 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于石化、电力等行业中存在的工程实际问题，针对管道系统的振动问 题以及大型旋转机械中密封转子系统的流体激振问题，分析管道振动原因并研究管道 减振方法控制管道振动，分析转子密封系统的流体激振原理并进行反旋流减振技术的 研究抑制转子的流体激振。本课题受到北京市教育委员会共建项目专项资助与博士点 基金资助( 2 0 11 0 0 1 0 11 0 0 0 9 ) 以及国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ，计划编 号为2 0 1 2 c b 0 2 6 0 0 0 。 1 1 2 课题背景 在现代工业迅速发展的今天，人们对管道的利用也越来越多，比如油气的输送、 居民起暖、用水都离不开管道。然而，管道系统的振动也已经成为了一个很普遍也很 棘手的问题【。管道要发挥其作用，它不可能单独存在，必须依附于其它管道附件来 提供流体动力以及支撑结构来保证管道的稳定，他们共同组成管道系统。当管道系统 受到激振力而发生的振动我们称之为管道振动。管道振动有其自身的特点：振动频率 比较低属于低频振动，振动持续的时间比较长，潜在危害性比较大。管道振动容易引 起管道的疲劳，严重情况下导致管道破裂，发生泄漏、火灾或者甚至是爆炸事故。引 起管道振动的原因有很多，第一种是管道附件的振动引起管道振动，第二是管道内流 体的压力脉动对管道的冲击使管道发生共振，第三是外界( 如风、地震等) 的激振力 使管道振动。全世界每年因管道系统振动带来的直接以及间接损失是不可估量的。随 着经济社会的发展与进步，企业的生产安全越来越收到重视，人们对管道振动的研究 也在不断的发展与进步。管道减振的方法也如雨后春笋般层出不穷，传统的减振方法 主要有以下几种【2 ，3 】：改变管道的结构布局；在管道上安装缓冲器来消减管内流体压 力波动；在管道上安装固定支架增大管道系统的刚度等，但是前两种方法都需要在停 止生产的情况下进行改造，给企业带来一定的经济损失，第三种方法会在管道上产生 二次应力。目前比较有效地管道减振方法就是在管道上安装阻尼减振器，国内学者何 立东教授发明了一种液体阻尼减振器，已经成功地在很多厂家应用，对管道的减振效 果非常明显。最近，德国的马克斯普朗克研究所和美国哈佛大学研究人员共同发现， 以适当的频率在水流中人工制造漩涡，能够使其与水流中自然产生的漩涡相抵消，不 北京化工大学硕士学位论文 仅能降低运输能耗，而且对控制管道振动也有所帮助【4 】。本文从理论上对管道振动原 因进行分析，并结合实际工程案例来介绍新型阻尼管道减振技术的原理及优点，对管 道的减振具有重要的指导意义。 反旋流技术早在上个世纪末就已经被应用于控制旋转机械转子涡动现象。传统的 反旋流技术是往密封间隙内吹入一股流体来改变间隙流场，但如果所导入的流体量过 大会导致更大的流体激振，导致系统失稳【5 “】。本文对转子密封系统中转子偏心时密 封间隙流场进行数值模拟，通过对流体激振力的模拟分析出偏心量、转子转速以及流 体进口预旋度对激振力的影响关系，通过相同条件下光滑密封与蜂窝密封流体激振力 的对比，证明了蜂窝密封能够在一定程度上抑制转子的流体激振。 1 2 管道振动的理论分析 管道振动属于机械振动中的一种，然而因为管道系统组成的复杂性，引起管道振 动的原因也非常多。对一般振动问题所涉及的内容都可以用系统、激励和响应来概括， 管道振动问题也不例外。为设计简单，管道振动问题可以概括为作用在管道系统上的 激励是管道发生了振动响应。其数学模型如图1 - 1 所示【7 】： 图i - 1 管道系统振动简化模型 f i g 1 - 1t h em a t hm o d e lo f v i b r a t i o no f p i p e l i n es y s t e m 对于一个多自由度振动系统来说，其振动的一般微分方程可以表示为【8 】 m s + c x + k x = f ( 1 1 ) 式中：m 一系统质量矩阵x 一节点位移矢量c 一阻尼矩阵 k 一刚度矩阵f 一激振力矢量 当系统受到m 个位移约束，则这m 个约束位移分量组成的列矢量x o = o ，假设其 它几个位移分量组成的位移列矢量为x 1 ，系统位移总矢量则为： z = = 阱m 2 ， 质量矩阵m 、激振力矢量f 、阻尼矩阵c 和刚度矩阵则可相应表示为： 2 笙二童堑笙 一f = m = m 蚝0 1 ) 。c = 陋黝k = ( 兰zk 孙o l m 3 ， 上式中：下标为0 0 的为m xm 阶方阵，下标为1 1 的为n x n 阶方阵，将其代入 式( 1 - 1 ) 中可得到： m o l 爻l j r c o l 文1 + k o l x l = f o u 。q m l i 爻1 + c i l 文l + k | l x l = r q 一 若给出矢量f l 、x l 、f o 当中的某一个，则可由方程( 1 4 ) 并i i 方程( 1 5 ) 解出另外两个。 1 3 管道振动原因分析 要解决管道系统的振动问题，首先必须从分析管道系统振动的根本原因出发，在 分析清楚管道振动的原因的前提下，我们才能够有的放矢，根据实际振动情况制定出 相应的实施方案从而更好的解决振动问题。因为管道系统的复杂性，管道系统振动的 原因也相对发杂。管道最常见的振动原因当中，共振应该是最常见的，过去人们认为 的管道共振只是考虑到管道结构共振，此时管道系统的固有频率与激振频率接近，管 道发生共振，该共振只是单纯的从管道自身出发，共振应该从两个方面分析，一方面 是激振力，另一方面是激振力所作用的系统，很多时候，人们往往只是分析了管道系 统的固有频率，发现某一阶固有