离心泵流体激励力诱发的振动:蜗壳途径与叶轮途径

研究蜗壳、叶轮途径流体力诱发的离心泵振动,分析CFD蜗壳内表面流体力作用下电机-离心泵-机架FEM模型瞬态响应;用Newmark-β算法分析CFD叶轮表面流体合力、合力矩作用下叶轮-转轴-支撑-机架转子动力学模型响应;并对比蜗壳、叶轮两条途径流体力诱发离心泵基座振动。结果表明,泵内表面流体压力脉动为宽频激振源,会诱使离心泵系统产生各阶模态振动;流体力通过叶轮途径诱发离心泵基座振动位移幅值谱最大峰值出现在叶轮转频处,振动加速度幅值谱最大峰值出现在叶轮流道通过频率处,而非叶片通过频率处;流体力通过蜗壳途径诱发的离心泵基座振动远小于叶轮途径诱发的振动,叶轮-转轴-支撑-机架为流体激励诱发离心泵基座振动的主要途径。     

横向流体激振力作用下的不平衡离心叶轮转子分岔特性研究

将叶轮转子系统简化为Jeffcott转子，建立了不平衡离心叶轮转子在非线性横向流体激振力和非线线轴承油膜力作用下的振动模型，并推导了系统的无量纲运动方程。运用数值积分法研究了系统的分岔特性。最后分析了横向流体激振力以及叶轮不平质量对离心叶轮系统动力学性能的影响。     

多级离心泵流场优化及验证

流体激励力是离心泵主要振源之一。通过对离心泵流场进行优化,可有效降低泵组流体激励力,减小离心泵振动。以多级离心泵的减振降噪为研究目的,运用CFD仿真技术从切割叶轮及改变蜗壳形状两个方面对流场进行优化。通过对比优化前后压力脉动以及流场激励力变化,说明优化情况。最后考虑加工工艺要求,选择切割叶轮的优化方法,并通过机脚振动响应的变化间接验证改善效果。结果表明：切割叶轮与改变隔舌形状对离心泵叶频及其倍频下的压力脉动与流体激励力都有减小,切割叶轮后机脚响应降低了4 dB。     

离心泵流体激励力的研究：叶轮部分

研究叶轮流体激励力是进一步研究离心泵流体激振的基础之一。本文基于对单级单吸式离心泵内非定常流场的CFD计算,通过积分得出叶轮转动过程中叶轮各表面所受空间三个方向的流体和力与和力矩,并分析了各表面对合力与合力矩的贡献,最后通过测试离心泵转轴的径向振动位移以验证所得结果的正确性。结果表明,叶轮各表面流体力空间三向合力与绕三个正交坐标轴的合力矩均周期波动,其中两个相互垂直的叶轮径向流体合力均以叶轮转动一周为一个周期,其余方向合力与绕坐标轴的合力矩均以相邻叶片通过蜗舌的时间一个周期;叶片所受流体径向合力是叶轮所受径向流体力的主要来源,叶轮前盖板外表面与后盖板外表面之间的压力差决定叶轮所受轴向力的大小,前盖板流体压力分布的不均匀程度决定叶轮绕径向转矩的大小,叶片所受流体力是叶轮绕转轴转矩的主要原因。     

离心泵流体激励力的研究：蜗壳部分

研究了叶轮转动过程中离心泵蜗壳所受流体激励力。基于CFD计算了离心泵叶轮转动过程中的瞬态内流场,而后积分得出蜗壳内表面三个方向上流体激励合力并进行频谱分析,最后运用九次多项式拟合、傅立叶级数与分段多项式拟合分别建立叶轮单周转动各向流体合力数学模型。结果表明：蜗壳所受出口方向、进口方向与垂直于进出口方向的流体激励力以叶片通过频率为基频波动,且波动幅值依次减小,波谷均出现于叶片通过蜗舌时;采用三段多项式拟合所建的数学模型与原始波形有最小的偏差,并且具有较低阶次     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

离心泵流动诱发振动特性数值计算分析

建立了一种适用于离心泵等叶轮机械流动诱发振动工程计算的数值模型和方法流程。基于URANS方程求解泵内流场,在流场非定常计算过程中输出叶轮所受时域脉动压力,将脉动压力通过FFT转换到频谱并以之作为泵组结构的振动激励源,采用隐式有限元方法进行泵组结构振动响应的计算。计算方法通过测试得到验证,可以用于离心泵流动诱发振动特性的计算评估和低噪声设计。完成了原型和改进型船用海水泵在设计工况下流动诱发振动响应的计算,分析了两型泵流场、振动激励源和振动响应等特性。计算表明,泵的改型设计显著减小泵内压力脉动以及振动激励源,改型泵振动小于原泵。     

多级离心泵叶轮时序对振动性能影响的数值研究

为研究节段式多级离心泵叶轮时序位置对流致振动的影响,结合CFD\FEM方法对考虑叶轮交错角度的泵体在水力激励作用下结构的动力响应进行了计算分析。结果表明,首级内压力脉动的频率、幅值和相位不受叶轮时序位置的影响;次级内压力脉动的频率同样没有发生明显变化,幅值随着时序角度的增大有微小增幅,而相位随着时序角度的改变发生明显变化。当时序角度刚好为叶轮叶片角度的一半时,次级转子内压力脉动相位刚好与首级错开90°,压力脉动方向与首级相反,导致轴向的激励减小,轴向振动存在相反的量,使得泵整体振动水平明显下降。     

输流管道的流体诱发振动稳定性分析

考虑内、外部流体的联合作用,研究输流管道的流体诱发振动稳定性。将外部流体的作用简化为涡激升力,利用Kane方法建立输流管道的二维非线性涡激振动方程。将动力学方程在平衡位置附近线性化,进行输流管道的稳定性分析。探讨不同内外流流速、外部流体的粘滞力系数、管道跨度以及内外流联合作用对管道稳定性的影响。研究结果表明,非线性涡激振动模型更真实地反映输流管道的流体诱发振动稳定性,在内流和管道跨度的影响下,发生耦合模态颤振现象;外部流体粘滞力系数的变化对管道的动力特性有明显的影响;在内外部流体的联合作用下管道的振动特性与各因素单独作用时明显不同。     

基于模态动力学的离心风机振动特性数值研究

采用数值方法研究离心风机在流体激励力和叶轮离心力共同作用下的结构响应。离心风机在运行过程中的振动主要由流体激励力和叶轮离心力引起,传统的分析方法很难准确地模拟和预测这种流固耦合振动。首先模拟离心风机内部三维非定常流场,然后将流场分析得出的流体激励力施加到风机叶轮上,采用模态动力学方法对离心风机进行振动响应计算。研究叶片数和前盘厚度两种结构参数对离心风机振动特性的影响。结果表明,存在最佳的叶片数和前盘厚度值,使得离心风机达到较好的减振效果;增加前盘厚度有利于提高叶轮强度,但是随着前盘厚度的增加,系统振动越来越强烈,因此在叶轮设计时应充分考虑叶轮强度以及风机整机振动性能以确定最佳叶轮结构。     

无拆卸轴承刚度测试方法的研究

轴承刚度对轴系振动有重要影响,研究无拆卸轴承刚度测试方法有利于快速可靠地了解轴系的振动特性。通过机架安装隔振器、泵进出口安装波纹管、电机与泵转子间采用电磁联轴器等结构措施;构建了离心泵转子-滚动轴承的试验台架。以光电传感器安装位置为转轴相位参考,通过转轴振动位移峰值识别出轴承截面轴系等效偏心质量的相位。通过附加质量于等效偏心质量相位产生激振力,并运用Lab VIEW构建的虚拟仪器测量附加质量前、后振动位移峰值变化量,从而得出轴承刚度。最后通过台架实际配置与转子模型进行了验证。结果表明,轴承刚度无拆卸测试方法有效可行,设计的试验台架可实现附加配重的安装,并能够有效地予以验证;所构建的虚拟仪器也能够准确计算得出转轴偏心质量相位与轴承支撑刚度。     

A FINITE ELEMENT PERTURBATION METHOD FOR COMPUTING FLUID-INDUCED FORCES ON A CENTRIFUGAL IMPELLER ROTATING AND WHIRLING IN A VOLUTE CASING

A finite element based method has been developed for computing time-averaged fluid-induced radial excitation forces and rotor dynamic forces on a two-dimensional centrifugal impeller rotating and whirling in a volute casing. In this method potential flow theory is used, which implies the assumption of irrotational inviscid flow. In comparison with other analyses of fluid-induced impeller forces, two main features have been included. Firstly, the hydrodynamic interaction between impeller and volute isproperly modelled. Secondly, the variation of the width of the volute has been adequately included in the two-dimensional analysis by a modification of the equation of continuity. A regular perturbation method is used to deal with the effects of the whirling motion of the impeller. The excitation forces are calculated from the zeroth-order problem in which the impeller axis is placed at the volute origin. The rotor dynamic forces associated with the whirling motion of the impeller are derived from the first-order solution. The force components, tangential and normal to the whirl orbit, are predicted as functions of the impeller--volute geometry, the flow conditions and the whirl speed ratio. The method is applied to a centrifugal pump experimentally tested at the California Institute of Technology. Comparisons between predictions and experimental data show the capabilities of the proposed method to reproduce the main features of fluid-induced impeller forces in centrifugal pumps. © 1997 by John Wiley & Sons, Ltd.     

小角度空间交错轴变厚齿轮传动的啮合动态特性研究

为揭示小角度空间交错轴变厚齿轮副的时变啮合特性与非线性动态特性,在精确几何建模的基础上,建立了空间小角度交错轴变厚齿轮传动时变啮合模型,获取其时变啮合刚度与时变传动误差;考虑外部载荷与侧隙变化的影响,采用集中参数法建立了齿轮传动非线性动力学模型,对其系统非线性特征进行了仿真。结果表明外部载荷的增加直接导致了齿轮副啮合刚度、传动误差、动态传动误差和动态啮合力的增加,同时啮合刚度的增加使得系统共振频率增加;侧隙的增加使得系统在轻载下出现与单边、双边冲击耦合的突跳现象,在重载下双边冲击区域变大,动态啮合力增加。     

离心压缩机转子密封碰磨故障的振动特征及诊断

某离心压缩机试运转阶段,在工作转速下出现振动爬升,导致轴振过大,引起机组打闸停机。为消除机组故障,对启动过程和工作转速下的轴振进行了测试。根据轴振变化趋势及对不同转速和不同时刻的振动时域和频域特征分析,判明该转子故障是由转子和密封碰磨造成的。为验证故障原因,取出隔板密封和轮盖密封,使转子无法产生密封碰磨,此状态下机组运转良好,说明查找的故障原因正确。调整机组密封间隙后,转子故障消除,机组运转良好。     

主共振激励下内嵌流体悬臂欧拉梁自适应减振性能研究

结合内嵌自主移动质量梁/板实验平台实验结果,对一、二阶主共振激励下内嵌流体悬臂欧拉梁自适应减振模型进行了数值模拟。通过简化,将实际的流固耦合模型近似转化为具有活动边界的流体动力学模型。模拟结果与实验现象吻合较好,揭示了封闭腔内流体在梁作用下的三种运动特征。分析了流体壁面压力曲线特征,并建立了它与流体运动特征间的联系。通过与梁振动位移比较后发现,壁面压力曲线在时间上存在有明显的滞后特性。基于能量耗散的观点,针对简化的流体动力学模型,提出了流体运动能耗量化准则,从流体运动层面给出了判定减振性能的量化标准。