本文關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)子動力學(xué) 流固耦合 彎扭耦合 離心葉輪 葉輪前側(cè)蓋板　出處：《鄭州大學(xué)》2012年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：離心式葉輪是離心泵的重要部件,由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并常工作在高壓、高速的復(fù)雜流體環(huán)境中,葉輪在完成自身功能的同時不可避免會受到來自流體的動力學(xué)作用力。該作用力會使具有離心葉輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生復(fù)雜的非線性動力學(xué)行為,對具有離心葉輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠和安全運行有著重要影響。本文基于葉輪前側(cè)蓋板流固耦合機理,對具有離心葉輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學(xué)特性進行了研究工作,得到了一些相關(guān)結(jié)論,這將為高轉(zhuǎn)速離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動監(jiān)測和轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計提供一定的理論指導(dǎo)。 基于Hirs的紊流整體流動理論和Blasius摩擦系數(shù)方程,建立了葉輪前側(cè)蓋板與蝸殼間隙內(nèi)泄漏流的非線性控制方程。通過無量綱化和擾動分析,獲得流體的無量綱零階擾動方程和一階擾動方程。運用交錯網(wǎng)格和有限差分法得到兩組方程的離散化控制方程,利用SIMPLE算法推導(dǎo)了離散控制方程的求解過程,并依此編寫了基于MATLAB語言的計算機程序完成了數(shù)值計算,得到穩(wěn)態(tài)壓力分布、穩(wěn)態(tài)速度分布和瞬態(tài)壓力分布。同時應(yīng)用瞬態(tài)壓力分布定義了流體擾動力和力矩,建立了葉輪前側(cè)蓋板流固耦合力學(xué)模型。穩(wěn)態(tài)特性分析表明,流體壓力分布沿圓周方向隨著間隙的增大而減小,間隙最小處壓力最大,間隙最大處壓力最小；沿流體路徑方向,流體壓力隨路徑長度的變化從泄漏流通道入口到泄漏流通道出口呈近似線性遞減關(guān)系,入口處壓力最大,而出口處壓力最小。流體路徑方向速度分布沿圓周方向隨著間隙的增大而增大；流體路徑方向速度分布沿流體路徑方向,從泄漏流通道入口到泄漏流通道出口呈近似線性遞增關(guān)系。流體周向速度沿流體路徑方向和圓周方向的分布情況與流體壓力沿流體路徑方向和圓周方向的分布情況相似,但其變化的幅度比前者大。 考慮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)振動可能存在的運動模式(橫向振動、軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動),建立了具有六個自由度的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡彎扭耦合力學(xué)模型和具有離心葉輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)整體動力學(xué)模型,并通過理論推導(dǎo)獲得了葉輪前側(cè)蓋板流固耦合作用下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運動微分方程。 采用四階龍格庫塔法和現(xiàn)代非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)數(shù)值分析方法分析了內(nèi)、外彎扭耦合作用下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：橫向振動位移響應(yīng)具有同步周期運動特征,隨著轉(zhuǎn)速的升高整體振動加劇但總趨勢穩(wěn)定；而對于扭轉(zhuǎn)振動來說,隨著轉(zhuǎn)速的升高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)彎扭耦合的作用增強,導(dǎo)致了扭轉(zhuǎn)振動加劇,使扭轉(zhuǎn)振動的頻譜圖中產(chǎn)生了1/2倍頻、1/4倍頻的低頻成分。從整體上看,在內(nèi)、外彎扭耦合作用下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好,系統(tǒng)始終保持穩(wěn)定的周期運動。 采用四階龍格庫塔法和現(xiàn)代非線性轉(zhuǎn)子動力學(xué)數(shù)值分析方法分析了非線性葉輪前側(cè)蓋板流固耦合激勵力影響下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性。研究結(jié)果表明：在非線性葉輪前側(cè)蓋板流固耦合激勵力的影響下,系統(tǒng)六個自由度上出現(xiàn)不同程度的振動且隨著轉(zhuǎn)速升高振動加劇,尤其是對軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動的影響較為突出。在高轉(zhuǎn)速下,軸向振動和扭轉(zhuǎn)振動的波形和頻譜特征變得復(fù)雜,軸向振動的頻譜中出現(xiàn)了超諧波成分,扭轉(zhuǎn)振動的頻譜中出現(xiàn)了低頻成分。此外,從不同轉(zhuǎn)速下的軸心軌跡圖和Poincare圖可以看出,轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下會發(fā)生擬周期運動和混沌運動,說明具有離心葉輪的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中存在的非線性葉輪前側(cè)蓋板流固耦合作用力對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要的影響。
[Abstract]:The centrifugal impeller is an important part of centrifugal pump . Because of its complicated structure and often working in high pressure and high speed complex fluid environment , the impeller inevitably gets the dynamic force from the fluid while completing its function . This force will cause the rotor system with centrifugal impeller to produce complex nonlinear dynamic behavior . This paper studies the dynamic characteristics of rotor system with centrifugal impeller . Some relevant conclusions are obtained . This will provide some theoretical guidance for the vibration monitoring and rotor dynamics design of high speed centrifugal pump rotor system . A nonlinear control equation for the leakage flow in the gap between the front cover plate and the volute of the impeller is established based on the turbulent integral flow theory and the Blaus friction coefficient equation of the Hirs . By dimensionless and perturbation analysis , the dimensionless zero order perturbation equation and the first order perturbation equation of the fluid are obtained . The steady pressure distribution , the steady state velocity distribution and the transient pressure distribution are obtained . The distribution of the fluid pressure along the circumferential direction is similar to the distribution of the fluid pressure in the direction of the fluid path and the circumferential direction , but the variation is larger than the former . Considering the possible motion modes of rotor system vibration ( lateral vibration , axial vibration and torsional vibration ) , a dynamic model of rotor mass unbalance bending and torsion coupling with six degrees of freedom and a rotor system integral dynamics model with centrifugal impeller are established . The nonlinear dynamic characteristics of the rotor system under the influence of internal and external bending torsional coupling are analyzed by using the fourth - order long lattice method and the modern nonlinear rotor dynamics numerical analysis method . The results show that the transverse vibration displacement response has the characteristics of synchronous periodic motion , and the overall vibration increases with the increase of the rotating speed but the overall trend is stable ; and for torsional vibration , the stability of the rotor system is better with the external bending and torsional coupling , and the system is always stable . The nonlinear dynamic characteristics of the rotor system under the influence of the fluid - solid coupling excitation force of the front cover plate of the nonlinear impeller are analyzed by using the fourth - order long - grid method and the modern nonlinear rotor dynamics numerical analysis method . The results show that the influence of the axial vibration and torsional vibration is more prominent under the influence of the flow - solid coupling excitation force of the front cover plate of the nonlinear impeller .

【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TH113

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本文編號：1463960