超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級離心泵水力優(yōu)化與結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、超低比轉(zhuǎn)數(shù)（比轉(zhuǎn)速ns≤30）自平衡多級離心泵廣泛應(yīng)用于石油、化工、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、電力等重要領(lǐng)域。但這類泵水力部件相對狹長的特點決定了其效率相對較低，耗能巨大，因此優(yōu)化設(shè)計節(jié)能高效的超低比轉(zhuǎn)速多級離心泵水力部件很有必要。由于采用轉(zhuǎn)子對稱布置結(jié)構(gòu)，級數(shù)多、跨距大，在運行過程中，容易引發(fā)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，特別當轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速相近或相同時將會發(fā)生共振，嚴重影響泵的安全可靠運行。因此，對超低比轉(zhuǎn)數(shù)自平衡多級離心泵進行靜力學和動力學分析具有

2、重要的工程實用價值。
　　本文主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　（1）泵水力優(yōu)化。建立超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級離心泵兩級的三維全流場水體模型。通過定義葉輪、泵腔、導(dǎo)葉揚程及效率的概念和公式，分別分析葉輪、泵腔、導(dǎo)葉內(nèi)能量轉(zhuǎn)換與流動損失情況，得出影響原模型性能的主要因素為葉輪與導(dǎo)葉的匹配，次要因素為葉輪內(nèi)的流動損失。提出取導(dǎo)葉喉部進口絕對速度為葉輪出口絕對速度的一半來計算導(dǎo)葉喉部面積，并逐步優(yōu)化設(shè)計出一流道式導(dǎo)葉，通過調(diào)整葉片型線優(yōu)化

3、流道過流面積消除葉輪流道內(nèi)漩渦。優(yōu)化后的葉輪與導(dǎo)葉各處速度變化均勻緩慢，大大降低了流動損失。將性能較優(yōu)的模型進行制造和測試，測試結(jié)果表明，優(yōu)化后方案的額定工況下平均單級揚程提高了8.1m，效率提高3.2％，達到了清水多級離心泵的國家標準，取得了較好的優(yōu)化效果。并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，分析了兩者的差異，為進一步優(yōu)化改進超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級離心泵的水力設(shè)計方法提供了設(shè)計思路與參考。
　　（2）泵轉(zhuǎn)子靜力學分析。對泵軸進行

4、了扭轉(zhuǎn)強度和疲勞強度的校核，分析結(jié)果顯示，泵軸最大剪應(yīng)力和最大等效應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用剪應(yīng)力和屈服極限，滿足了扭轉(zhuǎn)強度和疲勞強度要求。分析了泵轉(zhuǎn)子變形，得出最大變形發(fā)生在第四級葉輪的下方外徑邊緣處，且變形量小于葉輪和導(dǎo)葉之間間隙，得出葉輪口環(huán)處變形量小于葉輪與口環(huán)間隙。即葉輪與導(dǎo)葉、葉輪與口環(huán)均不會在轉(zhuǎn)子運行過程中發(fā)生干涉碰撞。但節(jié)流軸套處的變形量略微超過了節(jié)流軸套和節(jié)流套之間的間隙，與泵實際運行后拆開檢示所發(fā)現(xiàn)節(jié)流套有磨損的情況一致，

5、故建議節(jié)流套采用耐磨材料和公差配合以保證控制高壓水的泄漏量和泵轉(zhuǎn)子的運行可靠性。
　　（3）泵轉(zhuǎn)子動力學分析。分別計算了泵轉(zhuǎn)子在干態(tài)無流場預(yù)應(yīng)力、干態(tài)有流場預(yù)應(yīng)力和濕態(tài)三種情況下的前八階正反進動固有頻率，分析了發(fā)生各階振動時泵轉(zhuǎn)子可能的振動形式和三種情況下相同階次正反進動固有頻率的差異。對比三種情況下各個階次固有頻率變化率，得出流場預(yù)應(yīng)力能略微提高泵轉(zhuǎn)子各個階次的固有頻率，而濕態(tài)則會顯著降低泵轉(zhuǎn)子各個階次的固有頻率。對比三種情況下

6、不同階次對應(yīng)的振型圖，得出流場預(yù)應(yīng)力不改變各階正反進動的振動形式和振動方向，但影響某些階次下最大振幅出現(xiàn)的位置。與干態(tài)相比，濕態(tài)下水的附加質(zhì)量、粘性和阻尼等不改變各階正反進動的振動形式和最大振幅出現(xiàn)的位置，但會對振動方向產(chǎn)生影響。對比分析三種情況下各個階次對應(yīng)的最大振幅，得出流場預(yù)應(yīng)力不影響各階反進動的最大振幅,但會顯著抑制各階正進動最大振幅,而濕態(tài)下水的附加質(zhì)量、粘性和阻尼同時抑制了各階正反進動最大振幅。流場預(yù)應(yīng)力和濕態(tài)下水的附加質(zhì)量

7、、粘性和阻尼對不同階次轉(zhuǎn)子發(fā)生相同彎曲振動的最大振幅沒有影響。無論干態(tài)還是濕態(tài)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動的最大振幅數(shù)值是各階中最高的。泵轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速運行時，最接近真實請況的濕態(tài)下一階正進動彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速和一階扭轉(zhuǎn)振動臨界轉(zhuǎn)速均處于發(fā)生共振的危險范圍之外，表明超低比轉(zhuǎn)速自平衡多級離心泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理安全可靠，運行過程中不存在發(fā)生共振的可能。在干態(tài)有流場預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析的基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子進行不平衡激勵力的諧響應(yīng)計算和分析。對不同葉輪相同位置分別加載相同

8、大小和方向的不平衡激勵力后，泵轉(zhuǎn)子對第四級和第八級葉輪存在的不平衡量最為敏感，且轉(zhuǎn)子節(jié)流軸套的響應(yīng)幅值最大，最大幅值出現(xiàn)在一階正進動彎曲振動臨界轉(zhuǎn)速處，說明轉(zhuǎn)子不同位置施加不平衡激勵力時，不會改變臨界轉(zhuǎn)速的大小，但會造成轉(zhuǎn)子響應(yīng)最大幅值發(fā)生變化。對同一葉輪加載不同大小不平衡激勵力，節(jié)流軸套處的最大幅值隨著不平衡激勵力的增加而顯著增大，且都是在一階正進動彎曲臨界轉(zhuǎn)速處達到峰值，說明同一位置施加不同大小的不平衡激勵力不影響臨界轉(zhuǎn)速的大小。同