基于流固耦合的多级离心泵非定常流动特性及诱导振动分析

摘要

多级离心泵由多个叶轮串联组成，具有运行安全平稳、噪音低、寿命久、安装维修方便等优点，广泛应用在石油化工、电力和城市供水等多个领域。随着工业技术的不断发展，离心泵朝着高速化、大功率以及大功率密度比发展，因此不可避免地出现转子跨越临界转速运行时共振及额定转速运行过程中流体非定常激励造成的振动问题，这些都严重影响多级离心泵的安全稳定运行。因此，对多级离心泵开展基于流固耦合的转子系统模态和振动分析具有重要的工程应用价值。
　　本文利用PRO/E软件对双蜗壳结构的四级离心泵全流道进行三维建模，以离心泵内部定常流场数值计算结果为初始条件，开展了多级泵基于流场和转子结构场单向流固耦合的非定常计算。主要研究内容如下：
　　(1)为分析多级离心泵内部非定常流动特性，采用Realizable k-湍流模型对不同流量工况下的多级离心泵进行了非定常数值计算，揭示了各级叶轮及蜗壳内的静压和速度分布随时间变化的规律，并通过外特性试验验证了数值模拟的准确性。
　　(2)为分析双蜗壳结构的特点及其动静干涉作用，对多级离心泵各级蜗壳监测点的压力脉动进行了分析，结果表明：隔舌干涉会影响压力脉动的峰谷形成规律；不同监测点处压力脉动的时间序列与各级叶轮叶片数和隔舌-叶轮之间的动静干涉有关；隔舌附近的压力脉动受到动静干涉的影响更大。
　　(3)为分析双蜗壳结构下叶轮的径向力规律和隔舌干涉对径向力的影响，对各级叶轮的单个叶片及叶轮整体的径向力进行了分析，结果表明：当叶片尾缘扫过隔舌时，各级叶轮及其单个叶片的径向力都会产生突变波动；随着流量的增加，各级叶轮及单个叶片径向力的波动逐渐减小，且一个旋转周期，叶轮径向力的不平衡不仅与叶轮叶片的径向受力有关，也与叶轮出口周向静压分布不均匀导致叶轮前后盖板受到的径向不平衡力有关。
　　(4)对多级离心泵的转子系统模型分别在“干态”、“湿态”及考虑流固耦合预应力时进行模态分析，发现考虑口环流体密封力后转子系统的临界转速有明显提高，考虑流固耦合预应力后转子系统的各阶振动幅度均明显减小。
　　(5)根据耦合计算的结果，分析了不同流量工况下叶轮转子的等效应力及XY方向剪应力最大值随时间的变化规律，同时对离心泵转子系统的非驱动端轴向和径向振动进行研究。研究发现：离心泵运行过程中转子系统受到的径向激励力与其径向振动具有密切的关联，流体的轴向激励力引起的振动其计算和试验结果的频率较为吻合。

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第一章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 多级离心泵的流固耦合计算方法

2.1 几何造型和网格划分

2.2 流固耦合方法

2.3 流场数学模型

2.4 弹性结构的有限元理论

2.5 边界条件及耦合求解设置

2.6 模态分析理论基础

2.7 本章小结

第三章 多级离心泵内部流场分析和性能试验研究

3.1 多级离心泵内部流场特性分析

3.2 泵内静压压力脉动分析

3.3 模型泵的外特性试验及与数值模拟结果的对比

3.4 本章小结

第四章 多级离心泵的径向力分析

4.1 各级叶轮单个叶片径向力变化规律及分析

4.2 叶轮径向力合力变化规律及分析

4.3 本章小结

第五章 多级离心泵的模态分析

5.1 转子模型及相关求解设置

5.2 密封模型及动特性参数

5.3“干态”时的模态分析

5.4“湿态”时的模态分析

5.5 基于流固耦合的模态分析

5.6 本章小结

第六章 多级离心泵的振动分析

6.1 转子计算模型

6.2 求解方法

6.3 应力分析

6.4 振动分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果