基于流场数值模拟的减压塔底泵转子动力学研究

摘要

炼油装置在石油化工生产中处于重要地位，在炼油装置中减压塔底泵是最容易出现故障的关键设备之一。本课题属国家科技支撑计划项目《工业电机及典型泵阀节能关键技术研究》中的课题，减压塔底泵是该课题的主要研究内容之一。因此，对减压塔底泵进行转子系统的动力学特性研究，以确保产品稳定、可靠、安全运行，对石化生产具有重要意义。
　　 本文研究的减压塔底泵采用两级结构、首级为双吸双蜗壳、次级为单吸单蜗壳。其中，转子系统是关系到机组能否平稳运行的关键。为了研究减压塔底泵转子系统的动力学特性，需要对减压塔底泵的首级和次级流场进行流场数值模拟，以便把模拟所得到的轴向力和径向力加载到转子系统中。
　　 减压塔底泵转子系统的动力学特性研究，主要内容包括转子系统静力分析、振动频谱、固有频率、模态振型、不平衡响应以及激励力瞬态响应等。本文对减压塔底泵的研究具体内容如下：
　　 (1)根据减压塔底泵技术参数，设计出塔底泵总体结构图、各部件二维图、以及首级、次级叶轮和蜗壳的水力图。
　　 (2)应用Pro/Engineer软件对减压塔底泵转子系统进行实体建模，并得出转子系统各旋转部件的质量、惯性量等质量属性；采用GAMBIT对减压塔底泵首级、次级模型划分网格，基于FLUENT软件对泵进行全流场和非全流场的模拟，得出轴向力和径向力变化与流量的关系，以及全流场和非全流场之间对内部流场模拟所得数值的差异。
　　 (3)基于FLUENT软件对泵首级叶轮流场和次级叶轮流场进行全流场模拟，得出叶片的工作面和吸力面的静压分布，以及中间截面、轴截面的静压分布，研究了口环处和平衡孔附近的压力分布情况。
　　 (4)基于质量集总参数法，对减压塔底泵转子系统进行分析，得出各质量点的刚度，计算出转子系统的第一阶临界转速；并通过MATLAB软件对各质量点进行振动仿真，得出各质量点的振动位移和振动速度图。
　　 (5)采用ANSYS软件对减压塔底泵转子系统进行模型建立、模态分析，得出坎贝尔图、前四阶的振型、固有频率，并对模态结果进行分析；并得出转子系统处于安全工作区运行。
　　 (6)采用ANSYS软件对减压塔底泵转子系统进行静力学分析，得出变形图谱以及各节点的位移；对转子系统不平衡量进行动力学谐响应分析，得出左右侧轴承和两级叶轮节点的响应频谱图；对减压塔底泵转子系统进行激励力瞬态分析，研究转子系统对激励力的响应。
　　 (7)减压塔底泵转子系统的动力学试验，提出了转子试验台的基本构成、转子系统测定的基本方法和注意事项。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2 国内外研究进展和现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 塔底泵转子系统分析基本理论

2.1 有限元法基本理论

2.1.1 单元性质

2.1.2 单元刚度矩阵

2.1.3 虚位移原理

2.2 转子系统的离散法

2.2.1 集总参数法

2.2.2 有限元法

2.3 滚动轴承的动力特性

2.3.1 接触应力与变形

2.3.2 滚动轴承的刚度

2.3.3 滚动轴承的阻尼

2.4 转子系统载荷分析

2.4.1 转子系统部件质量属性

2.4.2 轴向力分析计算

2.4.3 轴向力平衡方法

2.4.4 径向力产生的原因

2.4.5 径向力分析计算

2.5 本章小结

第三章 基于FLUENT软件的塔底泵全流场数值模拟

3.1 FLUENT软件概述

3.1.1 FLUENT软件组成部分

3.1.2 FLUENT软件求解的步骤

3.2 流场数值模拟

3.2.1 控制方程

3.2.2 湍流模型

3.2.3 求解模型及计算方法

3.2.4 参考坐标系及边界条件

3.3 Pro/Engineer建立模型和Gambit前处理

3.3.1 Pro/Engineer中模型的建立

3.3.2 Gambit网格划分

3.4 内部流场数值模拟分析

3.4.1 流场模拟性能预测公式

3.4.2 内部流场模拟性能分析

3.4.3 内部流场流动分析

3.5 本章小结

第四章 基于ANSYS软件的塔底泵转子系统模态分析

4.1 ANSYS软件介绍

4.1.1 ANSYS软件概述

4.1.2 ANSYS软件的功能

4.2 模态分析概述

4.2.1 模态分析方程

4.2.2 模态分析的主要步骤

4.3 临界转速

4.4 基于MATLAB软件的转子系统的振动仿真

4.4.1 转子系统的简化

4.4.2 转子系统质点刚度计算

4.4.3 转子系统临界转速

4.4.4 MATLAB/SIMULINK仿真模型与仿真结果

4.5 基于ANSYS软件的转子系统模态分析

4.5.1 ANSYS转子系统模型建立

4.5.2 轴承单元模化为刚性支承时的模态分析

4.5.3 轴承单元模化为弹性支承时的模态分析

4.6 本章小结

第五章 基于ANSYS软件的转子系统动静特性分析

5.1 转子系统静力学分析

5.2 谐响应分析概述

5.3 转子剩余不平衡量

5.4 转子系统谐响应分析

5.4.1 转子系统工作速度下不平衡响应

5.4.2 转子系统不同速度下不平衡响应

5.5 转子系统瞬态动力学分析

5.5.1 瞬态分析概述

5.5.2 转子系统受激励力瞬态分析

5.6 试验系统

5.6.1 转子试验台的基本构成

5.6.2 转子系统的测定

5.6.3 试验注意事项

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究结果与总结

6.2 研究工作展望

参考文献

致谢

在读学位期间发表的论文、参与的科研项目