基于整体式挤压油膜阻尼器的离心水泵传动轴减振研究.pdf
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1、流 体 机 械2023 年 9 月72 第 51 卷第 9 期 收稿日期:2022-06-23 修稿日期:2023-02-15基金项目:国家科技重大专项(2017IV00100047);北京自然科学基金项目(3224066)doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2023.09.011应用技术基于整体式挤压油膜阻尼器的离心水泵传动轴减振研究侯启炀,何立东,贾兴运(北京化工大学 化工安全教育部工程研究中心,北京 100029)摘 要:针对离心水泵传动轴的振动问题,提出了运用整体式挤压油膜阻尼器(ISFD)减小水泵传动轴振动的方法。对设计的ISFD 的刚度和阻尼系数进行了仿真计算
2、,并根据刚性支承和ISFD 支承的动力学特征对离心泵传动轴进行了仿真分析;搭建了模拟水泵工作环境的试验台,通过对比水泵轴承座分别安装刚性支承和ISFD 阻尼支承来分析整个系统的振动特性。结果表明,ISFD 有着良好的阻尼减振性能,对于传动轴的高频外传力振动有着明显的抑制效果;在不同转速条件下,ISFD都能对振动有着良好的抑制效果,加速度降幅在 50%以上,能够有效抑制水泵传动轴的振动。关键词:整体式挤压油膜阻尼器;离心泵;传动轴;振动控制中图分类号:TH3 文献标志码:A Research on vibration reduction of centrifugal pump drive sha
3、ft based on integral squeeze film damperHOUQiyang,HELidong,JIAXingyun(EngineeringResearchCenterofChemicalSafetyMinistryofEducation,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing 100029,China)Abstract:Inviewofthevibrationproblemofcentrifugalwaterpumpdriveshaft,amethodtoreducethevibrationofpumpdrivesha
4、ftbyusingintegralsqueezefilmdamper(ISFD)wasproposed.ThedesignedISFDstiffnessanddampingcoefficientweresimulatedandanalyzed,andthecentrifugalpumpdriveshaftwassimulatedandanalyzedaccordingtothedynamiccharacteristicsofrigidsupportsandISFDsupports.Atestbenchwasbuilttosimulatetheworkingenvironmentofthewat
5、erpump,andthevibrationcharacteristicsofthewholesystemwereanalyzedbycomparingtherigidsupportandISFDdampingsupportinstalledonthewaterpumpbearingseatrespectively.TheresultsshowthatISFDhasgooddampingandvibrationreductionperformance,andhasasignificantsuppressioneffectonthehigh-frequencyexternalforcevibra
6、tionofthedriveshaft;undertheconditionofdifferentrotationalspeed,ISFDcanhaveagoodsuppressioneffectonvibration,andtheaccelerationdropismorethan50%.ISFDdampingbearingcaneffectivelysuppressthevibrationofthepumpshaft.Key words:integralsqueezefilmdamper;centrifugalpump;transmissionshaft;vibrationcontrol0
7、引言离心水泵是工厂正常运转的重要设备1,被广泛应用于化工和电力能源等支柱行业。离心泵本身的机械结构比较复杂,在运行过程中,叶轮转子系统常常会因为流体激振等负面影响导致系统产生振动超标问题,振动过大有可能诱发辐射噪声2。振动值是离心水泵能否长期健康运行的重要指标3,若离心泵长期处于振动过大状态,一方面会导致水泵底座或者与其相连的电机基座地脚螺栓预紧力逐渐减小甚至松动;另一方面由于现在大部分水泵使用的是机械密封,振动长73时间超标有可能逐步导致机械密封的动静环之间旋转摩擦产生的磨损加剧,长久会加速密封的失效4。离心泵传动轴振幅的超标,也会对整个系统产生许多负面影响,例如泵的零部件应力会更大,系统的
8、不稳定性和能耗会增加。为解决离心水泵的振动问题,学者们提出了不同的控制方法,如改造叶轮结构来降低压力脉动,增加颗粒阻尼器吸收振动能量等一系列方法来降低振动5-10。本文则针对离心式水泵传动轴减振问题,提出了一种安装在水泵轴承座支承位置的整体式挤压油膜阻尼器(Integralsqueezefilmdamper,ISFD),这相当于在水泵转子支座和滚动轴承之间串联一个具有一定刚度和阻尼的ISFD 单元。这种挤压油膜阻尼器能够给轴系提供一定额外的阻尼,增加的额外阻尼能耗散传动系统中的能量,从而降低整个传动轴的振动,提高离心泵动力系统的稳定性。1 整体式挤压油膜阻尼器1.1 整体式挤压油膜阻尼器整体式
9、挤压油膜阻尼器(ISFD)结构采用的材料去除S 型弹性支撑结构。ISFD 的 4 个弹性体部分加上连接它们的环形间隙提供系统径向所需支承刚度。ISFD 内外凸缘之间有相对比较大面积的环向间隙,能够提供足量的油膜流动空间,该间隙也为主要的挤压油膜区域,区域内油膜的挤压和流动能够为弹性支撑系统提供维持整个转子系统稳定所需的阻尼。ISFD 的结构如图 1 所示。图 1 ISFD 结构示意Fig.1 StructurediagramofISFD1.2 ISFD 的刚度和阻尼仿真计算ISFD 的刚度计算主要利用Workbench 完成,建立ISFD 三维模型,固定外缘,在内缘处施加定向的 1000N 载
10、荷力。ISFD 变形云图如图 2 所示。图 2 ISFD 变形云图Fig.2 ISFDdeformationcloudmap仿真计算得出当ISFD 的变形在小于油膜间隙的范围内,其径向位移与施加在其上的径向载荷成正比关系,超出这个范围,内部流场会被破坏,ISFD 无法正常工作,则其刚度可由以下公式计算11:KFUNiiiN=()=/1(1)式中,K 为刚度值,N/m;Fi为载荷大小,N;Ui为该载荷下位移,mm;N 为载荷个数。将图 2 的变形带入式(1)计算可以得出此次设计的ISFD 刚度为 1.27107N/m。ISFD 的阻尼特性主要与内部油膜的流场相关12。其阻尼系数由ISFD 内部油
11、膜的流场仿真计算可以得出。根据等效刚度系数与等效阻尼系数计算式为13:KFer0=/(2)CFe0=()/(3)式中,Fr为油膜法向力,N;e 为ISFD 内缘涡动偏心量,mm;F为切向油膜力,N;为涡动角速度,rad/s。ISFD 在整个转子运动过程中,其中内缘相对于挤压油膜的位置不断变化,因此ISFD 内部流场的油膜法向力与油膜切向力方向也处在不断变化的过程中,但是不管内缘如何运动,其油膜法向力总是从内缘挤压位置指向圆心,油膜切向力则为内缘运动线速度的反方向。因此油膜法向力Fr和切向力F可由下式计算得到:侯启炀,等:基于整体式挤压油膜阻尼器的离心水泵传动轴减振研究74FLUID MACHI
12、NERYVol.51,No.9,2023 FFtFtrxy=()+()cossin(4)FFtFtxy=()()sincos(5)建立ISFD 流场模型计算其能够提供的油膜法向力和油膜切向力。穿丝孔对整个流场域的影响比较小,为了方便网格划分和流场分析,在建立流场模型时忽略了穿丝孔结构。在FLUENT 软件中分析无端面密封的ISFD 内部流场,整个流场是靠整个阻尼支承的涡动来使得流场域产生流动形成阻尼力,出口是整个流场截面。在仿真过程中使用UDF(User-definedfunction)函数来进行内缘的涡动仿真模拟。图 3 示出流场域模型及网格划分结果。图 3 ISFD 流体域及网格划分结果F
13、ig.3 ISFDfluiddomainandmeshingresults水泵传动轴加叶轮重量约为 4.93kg,忽略蜗壳与泵轴之间机械密封对轴系的径向支承力,则分担在每个ISFD 阻尼支承上的力为 24.2N,此时ISFD 内缘形变为 1.910-3mm,e 等于内缘的形变,因此e=1.910-3mm,在工频为 2900r/min 条件下,=48.32rad/s。只需要计算出ISFD 流场中动壁面的Fx和Fy就可以进一步得出ISFD 的等效阻尼系数。图 4 示出采用FLUENT 仿真计算出的ISFD 内部流场在涡动过程中某个时刻的压力云图。图 4 ISFD 流体域压力云图Fig.4 ISFD
14、fluiddomainpressurecloudmap在离心水泵工频转动的情况下,ISFD 内部流场约每 0.02s 涡动一周,在这个过程中,受挤压的流场区域会产生比环境压力高一部分的压力,从而产生一定量的油膜力。通过CFD-Post 积分出流场的油膜力,图 5 示出 1 个周期内ISFD 在x 和y方向产生的油膜力随时间变化的曲线。图 5 ISFD 油膜力随时间变化曲线Fig.5 ISFDoilfilmforceversustimecurve将各个时刻的油膜力代入式(5)(3)求得各个时刻的阻尼系数,所求的各个时刻的阻尼系数求均方根即可得出ISFD 流场的阻尼系数。经计算可得所设计的ISFD
15、 能够提供的阻尼系数为7.17N s/mm。2 水泵传动轴仿真分析2.1 水泵传动轴建模试验过程中所用的离心泵属于闭式叶轮泵,有 3 个叶片,使用的轴承为深沟球轴承,轴承代号为 6205。图 6 水泵轴系建模Fig.6 Modelingofpumpshafting利用Dyrobes 软件对离心泵轴系进行仿真,由于叶轮形状不规整,用专门的模块Disk 来代替,需要知道的参数有质量m、叶轮绕中心轴的转动惯量又称为极转动惯量Ip以及叶轮绕直径的转动惯量又称为直径转动惯量Id。通过Soildworks75三维建模软件可得叶轮的质量属性。其中m=2.88kg,Ip=1.1910-2kg/m2,Id=6.
16、61kg10-3kg/m2。在Dyrobes 中建立的传动轴动力学模型如图7 所示。叶轮利用其质量特性进行简化,在其悬臂端加一定的不平衡量,对其稳态同步响应进行分析,设置其加速到 4000r/min,分析其振动响应。其中刚性支承为 3107N/m,阻尼系数设为0.5N s/mm(刚性支承存在一定的结构阻尼,但其数值很小);ISFD 的动力特性系数如上文所得。图 7 传动轴动力学模型Fig.7 Driveshaftdynamicsmodel2.2 水泵传动轴分析将刚性支承和ISFD 支承的动力特性带入到传动轴仿真模型当中,计算出传动轴的一阶模态和振型。(a)刚性支承一阶模态(b)ISFD 阻尼支
17、承一阶模态图 8 两种支承情况下传动轴临界及振型Fig.8 Criticalityandmodeshapeofdriveshaftundertwosupportconditions可以发现两种支承的临界转速发生了一定的变化,原因是两种支承的动力特性不同。同时为了探究两种支承情况下传动轴系统的应变能分布,进一步分析了刚性支承和ISFD 支承两种结构下系统在工作转速时的应变能分布,如图 9 所示。由图中可知,采用刚性支承时,在工作转速处水泵传动轴系统应变能分布主要集中在转轴和 2 个轴承上。采用ISFD 阻尼支承时,转子系统的应变能则更多分布在ISFD 支承处,其中系统应变能有 36.61%分布在
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