【摘要】：本文在國家自然科學(xué)基金(51409125)和江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(BK20171403)的資助下開展工作。離心泵作為一種重要的動(dòng)力機(jī)械,被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。離心泵運(yùn)行在高效可靠的工況對保障生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行具有重要作用。因此,監(jiān)測離心泵運(yùn)行工況,保障離心泵始終運(yùn)行在安全穩(wěn)定高效工況十分重要。傳統(tǒng)的工況監(jiān)測方法需要在現(xiàn)場安裝額外的傳感器,并配套相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析系統(tǒng),成本高、可靠性低,適用范圍窄。鑒于大多數(shù)離心泵由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),本文提出了一種依靠電機(jī)定子電流信號(hào)監(jiān)測離心泵運(yùn)行工況的方法。離心泵不同運(yùn)行工況對應(yīng)著不同的內(nèi)部流動(dòng)特征、壓力脈動(dòng)特征等。作用在葉片上的壓力脈動(dòng)在葉輪上產(chǎn)生對應(yīng)特征的水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩,水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性將通過轉(zhuǎn)子軸系傳遞到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端,使電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端產(chǎn)生具有對應(yīng)脈動(dòng)特征的扭矩。電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子間的電磁耦合將使扭矩的特性傳遞到電機(jī)定子電流中,因此通過監(jiān)測電機(jī)定子電流實(shí)現(xiàn)離心泵的運(yùn)行工況監(jiān)測在理論上是可行的。相比于傳統(tǒng)的離心泵運(yùn)行工況監(jiān)測方法,利用電機(jī)定子電流信號(hào)監(jiān)測離心泵的運(yùn)行工況具有非侵入式安裝、信息傳遞路徑少、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。本文采用理論分析、數(shù)值模擬及試驗(yàn)測試相結(jié)合的方法,對IS-65-50-160型單級(jí)單吸離心泵和Y160M-2 B3型電機(jī)組成的系統(tǒng),首次研究定子電流信號(hào)分析(MCSA)監(jiān)測法在離心泵偏工況、空化工況下的適用性,為基于MCSA監(jiān)測離心泵運(yùn)行工況奠定了基礎(chǔ)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)有:1.利用UG NX10.0對離心泵進(jìn)行了三維建模,利用ANSYS-ICEM14.0對離心泵水體域進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,利用ANASYS-CFX14.0對其進(jìn)行非定常計(jì)算,獲得離心泵的性能曲線,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬的可靠性。分析了不同流量工況下的葉輪葉片表面壓力脈動(dòng)分布特征、水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)特征等。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,葉片表面壓力脈動(dòng)的主頻位于軸頻(f_0)處;葉片表面的壓力脈動(dòng)在葉輪上產(chǎn)生水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩,主頻是葉頻f _(BPF)。隨著運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)工況,壓力脈動(dòng)強(qiáng)度變大,水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)強(qiáng)度變大且諧頻分量增多。2.水力負(fù)載轉(zhuǎn)矩通過轉(zhuǎn)子軸系的轉(zhuǎn)矩傳遞在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端形成扭矩力矩。利用Workbench建立剛性轉(zhuǎn)子軸系模型,以數(shù)值計(jì)算得到的水力矩為輸入,計(jì)算軸端輸出扭矩,發(fā)現(xiàn)軸端扭矩與水力矩呈線性關(guān)系。結(jié)合電機(jī)模型,對軸端扭矩在電機(jī)定子電流中的響應(yīng)進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)子與定子間的電磁耦合作用使電機(jī)轉(zhuǎn)子軸端扭矩特性將以工頻調(diào)制方式反映在定子電流中,扭矩中的諧頻分量會(huì)引起定子電流中產(chǎn)生高頻諧波分量。3.基于虛擬儀器搭建了離心泵閉式試驗(yàn)臺(tái),利用LabVIEW編寫程序?qū)崿F(xiàn)了離心泵的性能參數(shù)和電機(jī)定子電流采集、運(yùn)行工況控制及信號(hào)初步處理等。4.對試驗(yàn)獲得的偏工況下定子電流進(jìn)行時(shí)域分析發(fā)現(xiàn),定子電流均方根(I_(RMS))隨著離心泵運(yùn)行流量的增大而增大;對時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)得到定子電流頻域特性,頻域特性與理論分析相吻合。頻域里,信息主要集中在0-500Hz,50Hz的電網(wǎng)工頻占據(jù)著定子電流中主頻位置,且其幅值遠(yuǎn)高于其他頻率分量幅值,這使得反映離心泵運(yùn)行工況的信號(hào)被淹沒在電網(wǎng)工頻波動(dòng)中。采用奇異值分解(SVD)法成功除去電網(wǎng)工頻分量,提高了信噪比。除去電網(wǎng)工頻后的定子電流中離心泵軸頻分量居于主頻位置,諧波和噪聲分量顯現(xiàn)出來。計(jì)算定子電流總諧波失真(THD)可知,當(dāng)離心泵運(yùn)行在駝峰區(qū)時(shí),THD高達(dá)40%;隨著離心泵運(yùn)行工況靠近設(shè)計(jì)工況,THD下降至10%以下;隨著流量的進(jìn)一步增大,THD又略有增大。結(jié)合THD和I_(RMS)隨離心泵運(yùn)行流量的變化特征,建立了電機(jī)定子電流特征與流量工況之間的聯(lián)系,可實(shí)現(xiàn)離心泵流量工況的監(jiān)測。5.在搭建的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了離心泵空化試驗(yàn),對空化工況下的性能參數(shù)、軸端扭矩與電機(jī)定子電流進(jìn)行了同步采集。對試驗(yàn)獲得的不同空化程度下軸端扭矩進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),時(shí)域里離心泵空化程度的加劇會(huì)導(dǎo)致扭矩均值下降,脈動(dòng)幅值增大;頻域里不同空化程度下軸頻都是主頻,且遠(yuǎn)高于其他頻率處的幅值;隨著空化程度加劇,主頻幅值逐漸增大,扭矩的高頻分量不斷增加。6.分別在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域分析離心泵空化工況下的電機(jī)定子電流。時(shí)域里,只有當(dāng)空化程度發(fā)展到嚴(yán)重空化時(shí)才會(huì)導(dǎo)致定子電流中產(chǎn)生較多的諧波分量和噪聲;臨界空化之前,I_(RMS)沒有太大變化,臨界空化發(fā)展到嚴(yán)重空化這一過程中I_(RMS)下降較快,該特征可作為空化程度的監(jiān)測指標(biāo)之一;定子電流峭度(K)對空化過程較為敏感,空化初生時(shí)定子電流K值就迅速增大,且隨著空化程度的加劇,K值不斷增加。頻域里,SVD法剔除電網(wǎng)工頻后的定子電流信號(hào)中軸頻是主頻;隨著空化的加劇,軸頻邊帶噪聲和高頻電流分量越來越多;首次對定子電流進(jìn)行小波包分解和能量重構(gòu)來監(jiān)測離心泵空化程度,對定子電流采用了‘db9’小波包進(jìn)行了4層分解得到了16個(gè)小波包節(jié)點(diǎn)。研究結(jié)果表明:低頻小波包的幅值一般要高于高頻小波包的頻域幅值;剔除電網(wǎng)工頻小波包,計(jì)算剩余各個(gè)小波包所占能量比重,發(fā)現(xiàn)隨著空化程度的加劇,定子電流中高頻分量的能量占比越來越大,可見空化使定子電流中高頻分量增多,這一現(xiàn)象可作為空化程度的監(jiān)測指標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH311
【圖文】：

(b) 蝸殼圖 2.2 泵水力設(shè)計(jì)圖Fig.2.2 Hydraulic diagram of pump采用三維造型軟件 UGNX10.0 對該離心泵水體域進(jìn)行三維造型。為在計(jì)算時(shí)減少和出口段過短對流場穩(wěn)定性的干擾，模擬得到與實(shí)際情況更加類似的流場，在三維將進(jìn)口段和出口段進(jìn)行了延長，進(jìn)口段延長距離為 5 倍的進(jìn)口直徑，出口段延長距 倍的出口直徑。造型過程中為了使蝸殼和出口交界處更好地銜接，將蝸殼和出口段體造型，使得蝸殼和出口段形成一個(gè)整體。整個(gè)水體域包括四個(gè)部分：進(jìn)水管、葉環(huán)、蝸殼。如圖 2.3 所示的水體域三維裝配圖。

圖 2.3 模型泵流道三維造型圖Fig.2.3 Computational domains of model pump格劃分及無關(guān)性分析與分析的載體[64]，本文采用功能強(qiáng)大的 ANSYS ICEM C求解器輸出計(jì)算網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量、類型、分布等影響著數(shù)算資源。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易靈活調(diào)整調(diào)整，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，與實(shí)際模擬更容易接近[65]，心泵水體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的區(qū)域?yàn)槟Ｐ捅玫倪M(jìn)劃分結(jié)果如圖 2.4 所示。

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本文編號(hào)：2717170