在船舶工業(yè)和流程工業(yè)等領域中,泵和閥作為管網系統(tǒng)中重要的動力設備和調控裝置,其動態(tài)特性和振動直接關系到系統(tǒng)運行的可靠性。離心泵和控制閥屬于最常用的泵閥類型,它們的動態(tài)特性也各具特點。對于控制閥而言,控制的可靠性直接受到閥門內部非定常流動的影響,因此其流場動特性的準確獲取及分析是一個關鍵問題。對于離心泵而言,其內流的非定常激勵對泵機腳的振動有著至關重要的影響,如何從機腳振動信號中提取出流致振動激勵源的影響程度以及激勵產生機理是離心泵振動控制的研究難點,而傳統(tǒng)的頻譜分析很難獲得流動激勵的機理。為更好地研究泵閥非定常流致振動機理并實施控制,本文提出基于循環(huán)平穩(wěn)結合數值模擬的方法對泵閥壓力脈動和振動信號進行研究,在此基礎上以抑制振動為目標進行典型泵閥的改進設計。論文的主要內容包括以下幾個方面:(1)探討了控制閥和離心泵動特性獲取與分析中不同的側重點,提出了結合非定常流場和信號分析的方法來揭示泵閥內部流動激勵的動態(tài)特征,即基于數值模擬獲取非定常流場的動態(tài)信號,并在循環(huán)平穩(wěn)理論范疇內對其進行信號分析和激勵源特征提取。(2)針對控制閥非定常流動激勵的一階周期性信號特點,引入時變均值作為一階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計量對其進行研究。針對離心泵的流致振動問題,推導了流致振動激勵源與振動信號的調制模型,從理論上上證明了離心泵機腳振動信號的二階循環(huán)平穩(wěn)性。在此基礎上,引入循環(huán)密度譜以及循環(huán)譜相干性等二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計量對離心泵振動信號進行分析。(3)分析了驅動式和自動式兩類控制閥流場動特性獲取方法,以脈沖調制(Pulse-Width Modulation,簡稱PWM)控制閥為例提出了基于動網格技術的驅動式閥門流場動態(tài)特性提取方法。同時,以彈簧式壓力調節(jié)閥為例,提出了結合數值模擬和一維瞬態(tài)仿真的自動式閥門流場動特性獲取方法,并通過實驗驗證了該方法的有效性。分析了自動式閥門信號中存在的一階循環(huán)平穩(wěn)性,同時研究了阻尼、入口壓力變化方式以及入口壓力脈動對系統(tǒng)動特性的影響�？偨Y出系統(tǒng)阻尼和入口壓力變化速度是影響系統(tǒng)收斂的兩個重要因素,并且指出入口壓力脈動頻率與閥門系統(tǒng)固有頻率的大小關系,可產生對閥門動特性不同的作用機理。(4)采用二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計量對離心泵振動信號進行了分析,結果表明離心泵振動信號存在二階循環(huán)平穩(wěn)特征,并驗證了離心泵流致振動激勵源與振動信號的調制模型,指出以葉頻為主的離心泵流致振動激勵源可提高泵機腳振動信號全頻段的幅值。同時,通過對離心泵開啟過程中變轉速情況下振動信號的循環(huán)平穩(wěn)分析,研究了時間采樣和角度采樣對離心泵振動信號中二階循環(huán)平穩(wěn)性的影響。(5)在離心泵振動信號分析的基礎上,以抑制離心泵流致振動激勵源為目標,通過葉片壓力面吸力面耦合設計理念對離心泵葉片厚度分布規(guī)律進行研究。設計出一種翼型葉片,在蝸殼式和導葉式離心泵中進行了驗證,通過與常規(guī)葉片和加厚葉片的壓力脈動及徑向激勵力的對比分析,結果顯示翼型葉片能有效降低蝸殼及導葉內的壓力脈動以及徑向激勵力幅值。本文基于非定常數值模擬提出了泵閥內非定常流動特性的獲取方法,針對控制閥和離心泵的動特性信號的差異,分別引入一階和二階循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計量進行分析,并通過理論和實驗對該方法進行了驗證。在此基礎上,以抑制流致振動激勵源為目標優(yōu)化了離心泵和控制閥的結構,并在激振力控制上取得了效果。研究結果表明本論文提出的基于數值模擬和循環(huán)平穩(wěn)的泵閥動特性獲取及分析方法可以有效地揭示泵閥內流場的非定常流動機理,從而很好地指導工業(yè)應用中離心泵及控制閥系統(tǒng)的低振動設計。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TH311;TH134
【部分圖文】：

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【參考文獻】

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本文編號：2875756