【摘要】：研究流體激勵誘發(fā)離心泵基座的振動,對進一步減小基座振動傳遞至其他設備引起的設備故障與傳遞至板殼結構引起的輻射噪聲有重要意義。本文的目的在于從泵內(nèi)表面-蝸殼-支架-基座與葉輪-轉軸-支撐-基座兩條流體激勵力傳遞途徑分別研究流體激勵所誘發(fā)垂直于離心泵基座方向的振動,并分析離心泵基座振動的混沌非線性特性。 運用Pro-E與ICEM建立離心泵流域的幾何模型與網(wǎng)格,基于計算流體力學運用CFX分析了離心泵的穩(wěn)態(tài)流場與瞬態(tài)流場,并積分得出空間三個方向泵內(nèi)表面所受流體合力與葉輪所受流體合力與合力矩,運用分段擬合的方法建立了泵內(nèi)表面流體合力數(shù)學模型,運用統(tǒng)計方法分析了葉輪各表面對葉輪所受流體合力與合力矩的貢獻,通過流域內(nèi)壓力脈動值與轉軸振動位移的測試證明了分析結果的準確性。 根據(jù)試驗臺架,建立包括蝸殼、電機模型、電機、支架與離心泵基座系統(tǒng)的FEM模型,通過對比模態(tài)分析結果與LMS模態(tài)測試驗證FEM模型的正確性,基于流場計算所得瞬態(tài)流場各時間步泵內(nèi)表面流體壓力,分析了流體激勵泵內(nèi)表面-蝸殼-支架-基座所誘發(fā)的瞬態(tài)響應。 基于達朗伯原理建立了包含有離心泵基座的四圓盤三軸段、垂直于基座方向的轉子動力學模型;基于配重法運用光電傳感器、電渦流位移傳感器與所構建的LabVIEW剛度辨識虛擬儀器測試了轉子支撐的剛度,并分析了葉輪內(nèi)流體質(zhì)量對轉子系統(tǒng)固有頻率與振型的影響;基于Newmark算法運用Matlab分析了流場計算所得葉輪徑向流體激勵作用下轉子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應,并分析了轉子動力學中將流體力簡化為圓盤附加質(zhì)量建模方法的準確性;通過僅電機轉動與電機離心泵共同轉動的實驗對比分析了所設計臺架中電機與離心泵對基座振動的貢獻量;對比分析了流體力兩個途徑激勵離心泵基座誘發(fā)的振動,并與實驗結果做了對比。 從統(tǒng)計理論出發(fā),提出三種方法修正兩個一維數(shù)組所構成平面上,數(shù)據(jù)對所對應點在該平面上的概率分布矩陣,從而改進Cellucci的互信息算法,并由該改進算法計算了Lorenz序列的最佳延遲時間,而后得出最大Lyapunov指數(shù)驗證了改進算法的有效性。 運用改進的互信息算法與Tisean3.0偽最近鄰點算法工具包對四個測試點所得離心基座振動位移進行了延遲時間與嵌入維數(shù)的分析,并依據(jù)該延遲時間與嵌入維數(shù)重構了相空間,運用Tisean3.0小數(shù)據(jù)量算法工具包分析了各振動位移時間序列的最大Lyapunov指數(shù)以判斷系統(tǒng)混沌非線性特性。 通過以上研究得出了以下主要結論: 1)運用CFD計算可以有效地得出離心泵所受流體力與力矩;葉輪徑向流體合力主要以葉輪轉動頻率,而非葉片通過頻率進行波動,蝸殼所受流體空間三個方向合力、葉輪所受其它方向流體力與繞三個方向的合力矩均主要以葉片通過頻率進行波動;運用分段擬合的方法所得到蝸殼流體力數(shù)學模型比單段擬合與正余弦函數(shù)逼近有更好的精度;葉片所受流體徑向合力是葉輪所受徑向流體力的主要來源,葉輪前蓋板外表面與后蓋板外表面之間的壓力差決定葉輪所受軸向力的大小,前蓋板流體壓力分布的不均勻程度決定葉輪繞徑向轉矩的大小,運用離心泵轉軸振動位移與葉輪徑向流體力的對比可以驗證流場計算的正確性。 2)建立的蝸殼、電機模型、電機與基座系統(tǒng)FEM模型是可靠的;流體激勵泵內(nèi)表面-蝸殼-支架誘發(fā)垂直于基座方向振動的位移幅值與加速度幅值均較小;離心泵起動階段所產(chǎn)生初始壓力脈動在非穩(wěn)態(tài)振動階段對基座振動有較大影響;泵內(nèi)表面局部壓力脈動是寬頻激振源,會誘發(fā)出離心泵系統(tǒng)的各階模態(tài)振動。 3)所建立的轉子動力學模型是正確有效的;所提出支撐剛度不拆卸測試方法是有效可行的;建立的支撐剛度辨識虛擬儀器系統(tǒng)能夠可靠地得出轉子支撐剛度;葉輪內(nèi)流體質(zhì)量對轉子系統(tǒng)的中頻固有頻率有一定影響,而對系統(tǒng)低頻與高頻固有頻率與各階振型影響較小;流體力激勵葉輪-轉軸-基座所誘發(fā)的基座振動主要頻率為轉子的基頻;正弦外激勵作用下,將流體力簡化為葉輪內(nèi)20%與40%水質(zhì)量所得基座振動均遠小于將流體激勵力直接作用于系統(tǒng)所引起的基座振動;流體激勵力是誘發(fā)離心泵基座振動的主要原因;流體力激勵泵內(nèi)表面-蝸殼-支架-基座所引起的基座振動遠小于激勵葉輪-轉軸-支撐-基座所引起的基座振動;流體激勵誘發(fā)離心泵基座振動的主要來源是流體激勵轉子系統(tǒng)所誘發(fā)的基座振動;流體激勵作用下離心泵基座振動位移的最大峰值頻率為轉軸轉動頻率,而振動加速度的最大峰值頻率為五倍轉動頻率;從流體激勵力的兩條傳遞途徑分別研究其所誘發(fā)基座振動的方法是有效可行的。 4)等間距劃分時間序列所構成平面會得到錯誤的互信息值;當時間序列長度不為邊緣劃分區(qū)間個數(shù)整數(shù)倍時,Cellucci算法將會得到錯誤的最佳延遲時間;所提出的三種互信息改進算法不僅能夠消除Cellucci算法的缺陷,并且計算速度快;并且使用較長序列計算互信息時所得結果更加穩(wěn)定;三種互信息改進計算方法是有效可靠的;流體激勵誘發(fā)的離心泵基座振動位移信號具有明顯的吸引子存在;各振動位移的最大Lyapunov指數(shù)均略大于零,因此本文所研究離心泵系統(tǒng)的基座振動具有混沌特性存在。
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TH311
【圖文】：

圖 1-1 單級單吸式離心泵結構圖Fig1-1 Structure of single-stage single-suction centrifugal pump的種類很多，對其進行分類也有各種各樣的準則，包括按照、軸系的安裝方向、殼體型式等，各種準則與離心泵特點運用前兩種準則進行分類更加常見。表 1-1 離心泵按照不同準則的分類Table 1-1 Classify of centrifugal pump with different standards 類 型 離心泵的特點單吸泵 液體從一側流入葉輪，存在軸向力；雙吸泵液體從兩側流入葉輪，不存在軸向力，泵的吸泵增加一倍；單級泵泵軸上只有一個葉輪；其揚程通常為10～201000米左右；多級泵同一根泵軸上裝兩個或多個葉輪，液體依次流

圖 1-2 四種轉子不平衡Fig.1-2 Four kinds of rotor unbalancea)平行不對中 b)偏角不對中 c)平行偏角不對中圖 1-3 軸系不對中的三種形式Fig.1-3 Three kinds of shaft misalignment，轉子不平衡與不對中誘發(fā)機械結構振動的機理已經(jīng)得到了深入的共識[32]。雖然現(xiàn)實工作中不能完全消除轉子上的不平衡量，但動很大程度上的減小不平衡質(zhì)量的影響[33-37]，從而減小不平衡質(zhì)量引

a)平行不對中 b)偏角不對中 c)平行偏角不對中圖 1-3 軸系不對中的三種形式Fig.1-3 Three kinds of shaft misalignment，轉子不平衡與不對中誘發(fā)機械結構振動的機理已經(jīng)得到了深入的共識[32]。雖然現(xiàn)實工作中不能完全消除轉子上的不平衡量，但動很大程度上的減小不平衡質(zhì)量的影響[33-37]，從而減小不平衡質(zhì)量引對于轉子不對中，若兩轉子間采用柔性連結的方式，則也可以有效激勵力的產(chǎn)生[38-41]。，以上所述的三種激振力中，非定常流體激勵力是唯一還無法通過消除的激振力。這一方面是由于研究流體激振涉及到多學科，研究，另一方面則是由于離心泵內(nèi)非定流動本身的復雜性，長期以來沒對其進行研究，近年來隨著計算流體力學的發(fā)展[42-45]，通過數(shù)值模體激振力的方法才得到廣泛的應用�，F(xiàn)有大量研究集中于離心泵內(nèi)流場的計算與結構界面上壓力脈動

【引證文獻】

相關期刊論文 前1條

1 倫功仁;張朋;李凱杰;扶軍;;離心泵流體激勵力特性分析[J];水泵技術;2015年06期

相關博士學位論文 前3條

1 薛黨勤;汽車冷卻水泵優(yōu)化設計及汽蝕振動特性研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學;2015年

2 李躍;船用串并聯(lián)離心泵內(nèi)部流動機理及振動特性研究[D];江蘇大學;2014年

3 裴吉;離心泵瞬態(tài)水力激振流固耦合機理及流動非定常強度研究[D];江蘇大學;2013年

相關碩士學位論文 前4條

1 安滿意;雙吸離心泵的流致振動特性分析[D];西華大學;2016年

2 張鑫;基于流固耦合的低比轉速離心泵流動誘導振動研究[D];浙江理工大學;2016年

3 饒昆;基于流固耦合的多級離心泵非定常流動特性及誘導振動分析[D];浙江理工大學;2016年

4 肖志遠;浮動式森林消防泵的研究[D];北京林業(yè)大學;2013年

本文編號：2800614