基于流固耦合的双叶片潜污泵转子动力学特性分析.pdf

:./.基于流固耦合的双叶片潜污泵转子动力学特性分析宋冬梅刘雪垠陈小明曾梦玮徐成芝曾浪令张衡镜(.四川省机械研究设计院(集团)有限公司四川 成都 .西华大学 能源与动力工程学院四川 成都)摘 要:为了研究双叶片潜污泵转子系统的动力学特性该文基于流固耦合理论采用 和 软件对某型号潜污泵转子系统“干湿态”下固有频率和振型、临界转速进行了数值分析 结果表明:转子振型多为振摆以及扭转摆动前两阶模态振型均表现为叶轮的对称左右摆动最大位移都出现在叶轮轮缘区域和叶片出口区域“湿态”下潜污泵转子固有频率比干态下有所降低最小下降率.出现在第二阶模态最大下降率.出现在第六阶模态“湿态”下转子临界转速比“干态”下临界转速稍有下降 转子工作转速 /远小于计算所得的前四阶临界转速不会发生共振关键词:双叶片潜污泵数值模拟流固耦合模态分析临界转速中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言双叶片潜污泵因其流道宽广、抗堵塞性能好尤其适用于含纤维状/固体颗粒悬浮物等多相流介质的输送在污水处理、造纸、化工等行业应用广泛潜污泵抽送介质的多样性导致其内部流动十分复杂运行过程中往往存在振动以及较大的冲击荷载从而导致泵系统运行不平稳由于水泵转子系统的振动问题一直比较突出目前丛小青、张金凤、滕爽等国内外学者对蜗壳式混流泵、带分流叶片水泵、多级冲压泵、长轴消防泵等各类泵转子系统的动力学特性进行了研究分析但尚未涉及半开式双叶片潜污泵转子系统的振动问题笔者基于流固耦合理论采用 和 对某型双叶片潜污泵转子“干湿态”下模态振型、固有频率以及临界转速进行了求解分析分析结果可为同类型转子的结构优化以及系统动力学特性提供参考和借鉴 转子结构及数值建模.转子结构某型双叶片潜污泵结构如图 所示转子系统包括泵轴、前轴承、后轴承、机械密封以及叶轮 主要设计参数如下:流量 /扬程 转速 /.三维造型与网格划分通过三维软件对双叶片潜污泵进行全流道水体建模采用 软件进行网格划分全流研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:基金项目:四川省科技计划科研院所成果转化项目:直驱式高速离心泵研制及应用(编号:)作者简介:宋冬梅()女四川犍为人硕士研究生高级工程师研究方向:流体机械数字化设计理论与制造技术道计算域如图 所示 网格无关性验证如图 所示确定网格为 万即可满足要求图 双叶片潜污泵图 全流道计算域图 网格无关性验证 转子系统离散化网格模型如图 所示网格数量 万网格节点 万 潜污泵叶轮材料选择铸铁轴材料选择 钢图 转子离散化网格模型.边界调节及求解设置采用 软件对双叶片潜污泵进行全流道数值模拟 由于双叶片环保泵内部流动复杂存在旋转剪切流动和漩涡流动因此湍流模型选择 模型 交界面选择 进口边界选择 出口边界选择 设置收敛精度 步长 步 计算“湿态”时需要将流场结果作为边界条件加载到对应转子结构部件处流固交界处选择流固耦合面 外特性验证双叶片潜污泵的外特性试验在某公司水泵测试台上进行试验结果与数值模拟对比曲线如图 所示 从性能对比曲线可以看出试验条件下测得的扬程与效率曲线与数值模拟曲线基本吻合变化趋势较为一致扬程和效率偏差均在.以内说明该数值模拟方法是可行的精度满足研究要求图 数值模拟与试验结果对比 转子动力学结果与分析.转子模态分析由于转子在“干湿态”下的模态振型非常相似文中仅对“湿态”下转子系统的振型进行分析转子在“湿态”下的前八阶固有频率分别为.、.、.、.、.、.、.、.对应的振型如图 所示图 转子湿态下前八阶振型 由图 可以看出转子第一和第二阶、第四和第五阶、第六和第七阶模态振型是成对出现的振型较为相似 这是由于潜污泵转子是对称的几何体因此机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验转子的前八阶会出现频率大小和模态振型相同但其振动方向不完全相同的情况 转子的第一阶与第二阶模态振型表现为叶轮的左右对称摆动一阶摆动幅度最大处为叶轮轮缘区域二阶摆动幅度最大处为叶轮进口区域 第三阶模态振型表现为叶轮沿轴向的扭转振动在叶轮的出口边轮缘侧变形最大变形量沿叶轮流道出口至入口逐渐减小 第四和第五阶模态振型表现为叶轮的上下摆动两者的区别在于摆动的方向以及最大变形量的位置四阶振型为绕 轴摆动最大变形出现在叶片出口边而五阶振型则为绕 轴摆动最大变形出现在叶轮的后盖板处 第六、第七阶振型表现为泵轴的左右振摆振动中心位于泵轴中心处此时转动部件最大变形亦出现在该处 八阶模态振型为叶轮叶片的内外振摆最大变形出现在叶片出口边转子系统在“干湿态”下的前八阶固有频率曲线如图 所示 可以看出“干湿态”下转子系统的固有频率都随阶数的增加而增加变化趋势基本一致但是“湿态”下转子系统的固有频率比“干态”下有所降低最大下降率为.出现在第六阶模态最小下降率为.出现在第二阶模态 由此说明潜污泵输送介质的附加质量对转子系统的固有频率会产生较大影响图 “干湿态”下转子系统固有频率对比.转子临界转速潜污泵运行过程中由于转子系统质量的分布不均可能产生非常剧烈的反复变形并且当转子系统达到临界转速时可能会出现共振现象进而威胁泵系统的可靠性与运行稳定性 因此有必要对潜污泵转子系统的临界转速进行计算分析泵前后轴承型号分别为 型双列角接触球轴承、型深沟球轴承球轴承刚度计算公式如下:.()式中:为轴承刚度/为径向载荷 为滚珠数量 为滚珠直径 为滚珠接触角 将前后轴承相关参数代入式()计算得到前后轴承刚度系数分别为./、./对于滚动轴承阻尼系数可忽略不计根据潜污泵结构特点考虑陀螺效应设置了 个转速点转速范围为 /得到转子在干湿模态下的前四阶临界转速值见表 从表可以看出转子系统在“干湿态”下其临界转速均随着阶数增加而增加同阶模态下临界转速相近“湿态”下的临界转速比“干态”下速稍有降低 由于双叶片潜污泵的工作转速为 /远小于“干湿态”下的各阶临界转速因此不会发生共振满足安全稳定运行要求表 转子系统前四阶临界转速/(/)模态干态湿态一阶.二阶.三阶.四阶 .结 论采用、软件基于流固耦合理论对某型号潜污泵转子系统“干湿态”下固有频率和振型、临界转速进行了数值分析和结果对比主要结论如下()转子振型多为振摆以及扭转摆动前两阶模态振型均表现为叶轮的左右对称摆动最大变形出现在叶轮轮缘区域和叶片出口区域()“湿态”下潜污泵转子固有频率比干态下有所降低最小下降率.出现在第二阶模态最大下降率.出现在第六阶模态“湿态”下转子临界转速比“干态”下稍有下降()“湿态”下转子临界转速比“干态”下临界转速稍有降低 转子工作转速远小于计算所得的前四阶临界转速不会发生共振满足安全稳定运行要求参考文献:宋冬梅胡兴涛刘雪垠等.前伸式双叶片环保用泵的正交优化设计.能源与环保():.施卫东桑一萌王 准等.高效无堵塞泵的研究开发与发展展望.排灌机械():.赵万勇王 振李易松等.离心式潜污泵叶轮磨损的数值模拟.水泵技术():.丛小青袁寿其袁丹青等.污水泵的研究现状与进展.排灌机械():.邱 勇张可可唐晓晨等.双叶片离心泵内固液两相流径向力特性研究.中国农村水利水电():.(下转第 页)研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用 在对智能化草地养护设备各部件进行结构设计以及核心功能仿真之后已经验证了此设计的正确性与可靠性 该智能草地养护设备整体外形及结构分布如图 所示该设备的工作割草刀位于车身下部中心升降系统工作良好蓄电池等其他部件均布局合理整体结构紧凑下一步有待进行进一步的物理样机验证图 弹簧作用反力与总运动曲线图 整机结构装配三维视图 结 语文中所设计的草地智能养护设备将草地修剪以及浇灌和药物喷洒集合于一体具有智能化、自动化程度高效率高功能完善以及绿色环保等优势 该设备采用轻型升降机构来调节作业高度设置独立悬挂实现工作稳定性利用齿轮泵进行均匀喷洒工作其功能的完善性和合理性经模拟分析得到了验证未来随着物联网和 技术的发展其功能性与应用范围将会得到进一步的提升参考文献:陈振羽.提质增效标准先行建管并重:关于全面推进城市社区足球场地设施建设的意见解读.城乡建设():.杨福增孙景彬李亚男.郁闭果园图传遥控式割草机的设计与性能试验/.吉林大学学报(工学版):.李建平刘俊峰李杰银.果园割草机割茬高度机构运动分析与设计.农机化研究():.祝 露王德成尤 泳等.履带式林间草带收割机设计与试验.农业机械学报():贠 鑫吕猛王文彬等.果园除草机研究现状与发展趋势.农业工程():.马 静赵润良.果园机械除草装备与技术研究现状及发展趋势.农业与技术():.陈加国.前轮定位参数及其动态变化对汽车操稳性能的影响.机械设计与制造():.徐 丹.基于 的盘式制动器结构有限元分析.林业机械与木工设备():.马浩浩冯彦伟姚宝珍.基于 的滑块连杆固定型机构动力学仿真分析.机械研究与应用():.(上接第 页).():.():.():.文 奇.矿用防爆轴流对旋主要通风机叶片 模态分析及应用.能源与环保():.赵万勇白双宝马鹏飞.离心泵转子振动研究现状与展望.流体机械():.孙启国虞 烈.流体机械中浸液转子动力学特性的研究.动力工程():.张金凤宋海勤张帆等.带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析.排灌机械工程学报():.滕爽康灿赵才甫等.基于流固耦合的多级冲压泵转子部件强度和模态分析.水电能源科学():.高海司裴吉袁寿其等.蜗壳式混流泵叶轮部件湿模态流固耦合分析.流体机械():.宋海勤.不同轴段长度对立式长轴消防泵转子动力学特性影响.镇江:江苏大学.张卓然.化工多级离心泵叶轮优化及转子动力学研究.镇江:江苏大学.刘迎圆宫建国徐颖等.流固耦合作用下空间导叶式离心泵叶轮湿模态分析.流体机械():.许正萱张帆陈轲等.流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究.农业机械学报():.王福军.水泵与泵站流动分析方法.北京:中国水利水电出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用