超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級(jí)離心泵水力優(yōu)化與結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、超低比轉(zhuǎn)數(shù)（比轉(zhuǎn)速ns≤30）自平衡多級(jí)離心泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、電力等重要領(lǐng)域。但這類泵水力部件相對(duì)狹長(zhǎng)的特點(diǎn)決定了其效率相對(duì)較低，耗能巨大，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能高效的超低比轉(zhuǎn)速多級(jí)離心泵水力部件很有必要。由于采用轉(zhuǎn)子對(duì)稱布置結(jié)構(gòu)，級(jí)數(shù)多、跨距大，在運(yùn)行過(guò)程中，容易引發(fā)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，特別當(dāng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相近或相同時(shí)將會(huì)發(fā)生共振，嚴(yán)重影響泵的安全可靠運(yùn)行。因此，對(duì)超低比轉(zhuǎn)數(shù)自平衡多級(jí)離心泵進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析具有

2、重要的工程實(shí)用價(jià)值。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容和成果如下：
　?。?）泵水力優(yōu)化。建立超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級(jí)離心泵兩級(jí)的三維全流場(chǎng)水體模型。通過(guò)定義葉輪、泵腔、導(dǎo)葉揚(yáng)程及效率的概念和公式，分別分析葉輪、泵腔、導(dǎo)葉內(nèi)能量轉(zhuǎn)換與流動(dòng)損失情況，得出影響原模型性能的主要因素為葉輪與導(dǎo)葉的匹配，次要因素為葉輪內(nèi)的流動(dòng)損失。提出取導(dǎo)葉喉部進(jìn)口絕對(duì)速度為葉輪出口絕對(duì)速度的一半來(lái)計(jì)算導(dǎo)葉喉部面積，并逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)出一流道式導(dǎo)葉，通過(guò)調(diào)整葉片型線優(yōu)化

3、流道過(guò)流面積消除葉輪流道內(nèi)漩渦。優(yōu)化后的葉輪與導(dǎo)葉各處速度變化均勻緩慢，大大降低了流動(dòng)損失。將性能較優(yōu)的模型進(jìn)行制造和測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后方案的額定工況下平均單級(jí)揚(yáng)程提高了8.1m，效率提高3.2％，達(dá)到了清水多級(jí)離心泵的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，取得了較好的優(yōu)化效果。并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，分析了兩者的差異，為進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級(jí)離心泵的水力設(shè)計(jì)方法提供了設(shè)計(jì)思路與參考。
　?。?）泵轉(zhuǎn)子靜力學(xué)分析。對(duì)泵軸進(jìn)行

4、了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的校核，分析結(jié)果顯示，泵軸最大剪應(yīng)力和最大等效應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用剪應(yīng)力和屈服極限，滿足了扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求。分析了泵轉(zhuǎn)子變形，得出最大變形發(fā)生在第四級(jí)葉輪的下方外徑邊緣處，且變形量小于葉輪和導(dǎo)葉之間間隙，得出葉輪口環(huán)處變形量小于葉輪與口環(huán)間隙。即葉輪與導(dǎo)葉、葉輪與口環(huán)均不會(huì)在轉(zhuǎn)子運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生干涉碰撞。但節(jié)流軸套處的變形量略微超過(guò)了節(jié)流軸套和節(jié)流套之間的間隙，與泵實(shí)際運(yùn)行后拆開檢示所發(fā)現(xiàn)節(jié)流套有磨損的情況一致，

5、故建議節(jié)流套采用耐磨材料和公差配合以保證控制高壓水的泄漏量和泵轉(zhuǎn)子的運(yùn)行可靠性。
　?。?）泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析。分別計(jì)算了泵轉(zhuǎn)子在干態(tài)無(wú)流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力、干態(tài)有流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力和濕態(tài)三種情況下的前八階正反進(jìn)動(dòng)固有頻率，分析了發(fā)生各階振動(dòng)時(shí)泵轉(zhuǎn)子可能的振動(dòng)形式和三種情況下相同階次正反進(jìn)動(dòng)固有頻率的差異。對(duì)比三種情況下各個(gè)階次固有頻率變化率，得出流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力能略微提高泵轉(zhuǎn)子各個(gè)階次的固有頻率，而濕態(tài)則會(huì)顯著降低泵轉(zhuǎn)子各個(gè)階次的固有頻率。對(duì)比三種情況下

6、不同階次對(duì)應(yīng)的振型圖，得出流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力不改變各階正反進(jìn)動(dòng)的振動(dòng)形式和振動(dòng)方向，但影響某些階次下最大振幅出現(xiàn)的位置。與干態(tài)相比，濕態(tài)下水的附加質(zhì)量、粘性和阻尼等不改變各階正反進(jìn)動(dòng)的振動(dòng)形式和最大振幅出現(xiàn)的位置，但會(huì)對(duì)振動(dòng)方向產(chǎn)生影響。對(duì)比分析三種情況下各個(gè)階次對(duì)應(yīng)的最大振幅，得出流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力不影響各階反進(jìn)動(dòng)的最大振幅,但會(huì)顯著抑制各階正進(jìn)動(dòng)最大振幅,而濕態(tài)下水的附加質(zhì)量、粘性和阻尼同時(shí)抑制了各階正反進(jìn)動(dòng)最大振幅。流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力和濕態(tài)下水的附加質(zhì)量

7、、粘性和阻尼對(duì)不同階次轉(zhuǎn)子發(fā)生相同彎曲振動(dòng)的最大振幅沒(méi)有影響。無(wú)論干態(tài)還是濕態(tài)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的最大振幅數(shù)值是各階中最高的。泵轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，最接近真實(shí)請(qǐng)況的濕態(tài)下一階正進(jìn)動(dòng)彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速和一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速均處于發(fā)生共振的危險(xiǎn)范圍之外，表明超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級(jí)離心泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理安全可靠，運(yùn)行過(guò)程中不存在發(fā)生共振的可能。在干態(tài)有流場(chǎng)預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行不平衡激勵(lì)力的諧響應(yīng)計(jì)算和分析。對(duì)不同葉輪相同位置分別加載相同

8、大小和方向的不平衡激勵(lì)力后，泵轉(zhuǎn)子對(duì)第四級(jí)和第八級(jí)葉輪存在的不平衡量最為敏感，且轉(zhuǎn)子節(jié)流軸套的響應(yīng)幅值最大，最大幅值出現(xiàn)在一階正進(jìn)動(dòng)彎曲振動(dòng)臨界轉(zhuǎn)速處，說(shuō)明轉(zhuǎn)子不同位置施加不平衡激勵(lì)力時(shí)，不會(huì)改變臨界轉(zhuǎn)速的大小，但會(huì)造成轉(zhuǎn)子響應(yīng)最大幅值發(fā)生變化。對(duì)同一葉輪加載不同大小不平衡激勵(lì)力，節(jié)流軸套處的最大幅值隨著不平衡激勵(lì)力的增加而顯著增大，且都是在一階正進(jìn)動(dòng)彎曲臨界轉(zhuǎn)速處達(dá)到峰值，說(shuō)明同一位置施加不同大小的不平衡激勵(lì)力不影響臨界轉(zhuǎn)速的大小。同