多级离心泵转子的流固耦合特性及试验分析.pdf

1 0 F LUI D MACHI NERY Vo 1 4 3 No 7 201 5 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 7 0 0 1 0 0 6 多级离心泵转子的流固耦合特性及试验分析 王其磊 陈国栋 1 中国人民武装警察部队学院 河北廊坊0 6 5 0 0 0 2浙江省金华消防支队 浙江金华3 2 1 0 0 0 摘要 针对高功率密度液体多级离心泵的高速化发展带来的流固耦合及临界转速等问题 根据流固耦合计算方法 并应用 A n s y s 软件系统对流场网格进行划分和边界条件设定 然后进行数值模拟计算 计算结果表明 首级叶轮到后部 末级叶轮应力 应变和变形呈增大趋势 这符合多级泵叶轮受力分布的实际情况 流固耦合相对于重力来说发挥了更显 著的作用 可以看出流固耦合后转子固有频率降低 并且阶数越高 下降幅度越大 旋转软化效应对第一阶弯振影响较 小 而对二 三 四阶的影响逐渐增强 且随转速均匀增加 弯振频率均匀变化 试验测试结果与仿真结果具有较好的一 致性 反映了仿真数据的正确性 关键词 多级离心泵 流固耦合 临界转速 固有频率 中图分 类号 T H 3 1 1 文献标 志码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 5 0 7 0 0 3 Cha r a ct e r is t ic an d Ex pe r ime n t a l o f Fl u id s t r uct u r e I nt e r a ct io n of M ul t is t a g e Pu m p Ro t o r WA N G Q i 1 e i C H E N G u o d o n g 1 C h i n e s e P e o p l e A r m e d P o l i ce F o r ce s A o r ce s A ca d e m y L a n g f a n g 0 6 5 0 0 0 C h i n a 2 Z h e j i a n g J i n h u a F i r e D e t a ch me n t J i n h u a 3 2 1 0 0 0 C h i n a Ab s t r a ct Th e fl u id s t r u ct u r e in t e r a ct io n a n d cri t ica l s p e e d p r o b l e ms f r o m t h e h ig h s p e e d d e v e l o p me n t t h e mu l t is t a g e ce n t r if u g al p u mp o f h ig h p o we r d e n s it y fl u id b a s e d o n t h e fl u id s t ru ct u r e e q u a t io n s o f flu id fl o w a n d s o l id s y s t e m t h e g r id d iv is io n o f fl o w fi e l d a n d b o u n d a r y co n d it io n s w e r e s e t b y a p p l y in g An s y s s o f t wa r e a n d t h e v ib r a t io n t e s t r ig wa s s e t u p T h e c a l cu l a t io n r e s u it s s h o w t h a t t h e s t r e s s s t r a in a n d d e f o rm a t io n o f t h e h e a d t o t h e b a ck o f t h e imp e l l e r s h o we d a in cr e a s e t r e n d t h is a cco r d s w it h t h e a ct u a l s it u a t io n o f t h e s t r e s s d is t r ib u t io n o f mu l t is t a g e p u mp imp e l l e r t h e fl u id s t ru ct u r e in t e r a ct io n r e l a t iv e t o g r a v it y h a s p l a y e d a mo r e p r o min e n t r o l e it ca n b e s e e n a f t e r t h e fl u id s t r u ct u r e co u p l in g r o t o r n a t u r a l f r e q u e n cy is r e d u ce d a n d t h e h ig h e r o r d e r l e a d t o t h e gre e r d r o p t h e s p in s o ft e n in g e f f e ct o n t h e f ir s t o r d e r b e n d in g v ib r a t io n w a s s ma l l a n d t h e in fl u e n ce of t h e t wo t h r e e f o u r o r d e r g r a d u a l l y s t r e n g t h e n a n d w it h in cr e a s in g u n if o rm s p e e d t h e b e n d in g v ib r a t io n f r e q u e n cy u n if o rm ch a n g e T h r o u g h t h e e x p e ri me n t t e s t a n d t h e s imu l a t io n r e s u l t s h a d g o o d co n s is t e n cy w h ich r e fl e ct e d t h e co r r e ct n e s s o f t h e s im ul a t io n da t a Ke y wo r d s mu l t is t a g e p u mp fl u id s t r u ct u r e in t e r a ct io n cr it ical s p e e d n a t u r al f r e q u e n cy 1 前言 随着高功率密度液体多级离心泵的高速化发 展 离心泵的流量是由叶轮的通道面积与其叶片 的角度 及其圆周速度决定的 多级离心泵对 液体的离心力成正 比增加 多级离心泵 的压力也 成正 比增加 压力 曲线则 向上移动 从而使得出口 压力明显增加 多级泵流固耦合问题越来越受 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 1 5 修稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 5 基金项 目 河北省高等学校科学技术研究项 目 Z 2 0 1 3 0 4 7 到人们 的关注 J 并且随着对泵扬程要求不断 提高 多级离心泵必然要跨越临界转速 为了确保 临界转速平稳过渡 并且确保泵的振动水平 降到 最低以提高泵的使用寿命 因此有效地对泵体 的 转 子动 力学 及流 固耦 合 特性 研究 具有 重要 意 义 刘厚林等利用双 向流固耦合的方法对叶 轮的流固耦合特性进行 了分析 并 给出了导叶式 离心泵叶轮结构优化设计方法 施卫东等利用 1 4 FLUI D MACHI NERY Vo 1 4 3 No 7 2 01 5 表 3 不 同的转速下转子部件 固有频率 转子频率 H z 转速 r a c l s 1 阶弯振 2阶弯振 3阶弯振 4阶弯振 0 9 6 3 1 3 2 7 7 3 4 5 3 5 0 6 7 01 3 6 1 00 9 6 2 55 27 6 7 7 5 28 77 69 0 0 8 2 0 0 9 6 1 3 2 2 7 5 8 6 5 2 1 9 6 6 7 7 9 8 3 0 0 9 5 9 8 9 2 7 4 9 1 5 1 5 2 4 6 6 6 0 8 4 0 0 9 5 8 38 27 3 9 4 5 08 59 6 5 4 4 5 oo 9 5 6 82 27 2 9 8 5 02 03 64 2 9 5 5 9 9 9 5 5 2 5 2 7 2 0 2 4 9 5 6 1 6 3 1 8 2 对计算数值进行分析 比较 表 明旋转软化 的 效应总体上来说降低了转子弯振频率 同时相当 于降低转子部件临界转速 对比表 2弯振的频率 分析数值可看出旋转软化的效应对于第一阶弯振 影响较小 而对于二 三 四阶影响逐步增强 并 且随转速均匀增加 弯振频率也均匀的变化 在不 同的转速下转子同一 阶弯振的振型完全相同 所 以旋转软化效应基本改变不了转子部件振型 4 4 转子在 湿态 情况下临界转速 计算转子 湿态 情况下 的临界转速 在建 模的过程中 均采用 弹簧单元 C o m b i 2 2 2单元 轴 承的位 置 处 赋 予 了 弹 簧 单 元 刚 度 矩 阵 表 示 为 州 r 3 5 0 3 1 0 一 8 7 5 6 1 0 1 8 7 5 6 1 0 3 5 03 1 0 J 8 密封处的叶轮间隙赋予弹簧单元刚度矩阵表 示为 r 1 6 8 1 0 一4 1 6 x 1 0 1 K 一 4 1 6 1 0 1 68 1 0 J 4 1 0 另外 当考虑陀螺力矩时 需要考虑科里奥利 效应影响作用 由于此时重新生成刚度矩阵为非 对称形式 因此需要采用 D a m p方法以便提取到 有限元模态计算模型 进而计算得到临界转速的 值 转子旋转 的正 向及反向涡动 进动 正常工 作时 其涡动的频率 o J 和转动的角速度 并不 相等 而当 时 转子发生共振时的速度为 临界转速 当对 临界转速进行计算时 一般仅考 虑到同步正 向涡动的临界转速 在实 际计算中 为了计算在不同的 自转角速度下转子的涡动角速 度变化规律 必须给定出多个 自转角的速度值 并 分别计算出每一种自 转角速度值下转子各阶固有 频率 从而可依次将不 同的 自转角速度下同阶固 有频率通过曲线连接起来 通常 值取为横坐 标 值为纵坐标 同时在这个曲线图上做一条 的射线 此射线与 曲线的交点对应的坐标 值即为共振时的各阶临界角速度 或频率 经 计算 可得到转子在湿态下 的临界转速值 如表 4 所示 表4 湿态下的临界转速值 弯振阶数 l 2 3 4 转子频率 H z 1 5 8 1 1 2 4 4 0 3 4 8 2 3 8 6 4 0 9 9 临界转速 r m in 9 4 8 6 6 1 4 6 4 1 8 2 8 9 4 2 8 3 8 4 5 9 4 5 试验探讨 本文以改进 MD 2 8 0 4 3 4多级离心清水泵 为试验对象 自主搭建测试 台对转子频率进行测 试 采用 u T e k l 动态信号采集系统 K D 1 0 0 5 压电 式内置电路 I C P 加 速度传感 器 C Y B 1 1型压力 变送器 电荷放大器 压力传感器前置调理器 U T 3 2 0 8采集器 每个叶片转子处设置 4个采集 点 采样时间为 3 mi n 转子试验值如表 5所示 通过模拟计算值与试验值 比较后发现 试验值与 计算值基本一致 证明了模拟计算的准确性 表5 转子试验值 弯振阶数 1 2 3 4 转子频率 H z 1 5 6 3 l 2 4 7 2 5 4 8 9 5 6 6 5 1 2 4 临界转速 r m i n 9 1 3 5 2 1 3 9 0 0 5 2 8 4 4 5 4 3 7 4 6 8 8 6结论 1 随转速不断增高 转子振动幅度增大 多 级泵启动过程中 F X F y 和 U Z方 向上振动规 律基本一致 到达额定工况附近时 转子的振幅减 小且幅度保持不变 U X y方向上的振 幅变化具 有一致性 2 流固耦合使得转子 固有频率降低 并且 阶数越高 下降幅度越大 试验值与计算值基本一 致 证 明了模拟计算的准确性 但试验临界转速比 计算值相应变低 转子频率值略高于计算值 参考文献 1 Y u a n S h o u q i Z h a n g j i n f e n g Y u a n J i a n p i n g e t a 1 E f f e c t s o f s p l it t e r b l a d e s o n t h e l a w o f in n e r fl o w wit h i n c e n t r i f u g a l p u m p im p e l l e r J C h i n e s e J o u r n a l o f 2 0 1 5年第 4 3卷第 7期 流体机械 1 5 上接第 6 2页 1 0 梁帅 江楠 曾纪成 套片式油冷器传热性能的研究 J 压力容器 2 0 1 3 3 0 7 2 4 2 9 1 1 万建武 钟朝安 干工况风机盘管加新风系统的空 调过程设计 J 建筑热能通风空调 2 0 0 1 3 59 62 1 2 殷平 独立新风系统 D O A S 研究 3 常规风机盘 管独立新风系统 J 暖通空调 2 0 0 4 3 5 3 6 9 7