一种带液工况下立式多级离心泵转子动力学建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于离屯、累转子动力学设计领域，尤其是设及一种带液工况的立式多级离 屯、累转子动力学建模方法。
【背景技术】
[0002] 立式多级离屯、累广泛应用到化工、石油和电力等行业，随着对运行效率和节能减 排要求的不断提高，立式多级离屯、累近年来越来越趋向于高转速、大容量方向发展。多级离 屯、累转子系统结构复杂，一般由多级叶轮、轴承、密封、联轴器、壳体等多个零部件组成，且 工作转速多在3000rpmW上，因此在进行传统的机械强度设计基础上，往往还得考虑临界转 速、振型等动力学特性，使得工作转速范围与临界转速区域满足一定的隔离裕度动力学设 计要求，否则设计出的离屯、累在实际运行过程中容易出现强烈振动、噪声等问题，甚至引发 重大安全事故。在离屯、累工作运行过程中，由于液态工作介质具有一定质量，在累转子旋转 离屯、力的作用下，其流动过程也非常复杂，液态介质与叶轮之间会存在一定的相互禪合作 用。当离屯、累转子叶轮振动时，与之接触的液态介质也会随着振动，一方面旋转的叶轮会影 响液态介质流场的分布，从而改变流体载荷的分布和大小；另一方面，叶轮在流场压力载荷 的作用下会产生变形。基于W上多方面因素的影响，含液态工作介质运行的多级离屯、累临 界转速和振型有可能会发生改变，使得离屯、累转子振动特性变得更加复杂，大幅增加动力 学设计难度。因此，在立式多级离屯、累的动力学设计时，很有必要考虑液态工作介质对其振 动特性的影响，W构建符合实际工况的带液工作介质离屯、累转子动力学模型，准确分析出 临界转速与振型，为其结构动力学设计和振动分析提供依据和参考。
[0003] 目前国内外很多学者在累转子动力学建模与分析方面开展了大量研究工作，其中 Wang等通过分析离屯、累转子和周围工作介质的禪合作用，推导了累转子动力学方程，采用 频谱分析法计算了累转子的临界转速值。Marscher采用模态分析法对多级累临界转速和振 型进行了分析，但由于带液工作介质下实际运行工况现场复杂，从含有众多干扰频率成分 的通频信号中无法有效提取出基频信号，难W通过有限个测点处的响应准确估计分析出累 的临界转速和振型。国内大多数厂家对立式多级离屯、累的动力学设计，仍主要针对"干态" 下转子进行动力学建模与临界转速分析，即在动力学建模过程中没有考虑液态工作介质对 累转子振动特性的影响，导致所建的动力学模型与实际运行工况不吻合，W至于应用"干 态"下动力学模型分析计算出的临界转速值与离屯、累转子的实际值相差较大，甚至工作转 速范围有可能落入共振转速区域，使得设计生产的立式多级离屯、累振动过大，性能下降，严 重影响离屯、累机组的安全生产与健康运行。综上所述，为准确分析立式多级离屯、累实际工 况下的动力学行为和振动特性，很有必要在动力学设计过程中采用一种带液工况下立式多 级离屯、累的动力学建模方法，W更好的开展振动特性分析工作。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种带液工况下立式多级离屯、累转子的动力 学建模方法;它能够对带液工况下立式多级离屯、累转子进行系统临界转速与振型应变能分 析，对立式多级离屯、累转子的设计具有指导作用，并为立式多级离屯、累的动力学设计与振 动分析提供参考，有利于立式多级离屯、累的安全运行，延长立式多级离屯、累的使用寿命。
[0005] 本方法的基本原理与实施流程如图1所示，具体内容包括：
[0006] (1)结合累的构件机壳、叶片、转轴结构的空间位置，不考虑叶轮、叶片的几何形 状，忽略工作介质与叶轮之间的内部作用力，采用规则的圆锥体分别对壳体、转子、工作介 质进行等效模化;其中，液态工作介质充满在转子、壳体间的环形空间，根据转子、壳体直径 确定模化环形空间的内半径和外半径，构建立式多级离屯、累转子、壳体与工作介质几何结 构模型；
[0007] (2)叶轮中的工作介质会随着累的叶片旋转而流动，工作介质由于存在粘滞性，在 离屯、力的作用下导致环形中不同径向位置处液态质点的速度不一致，根据运种速度差异性 对简化的环形空间工作介质质量进行分解，分解为转子附加质量、壳体附加质量、液体禪合 质量Ξ部分质量，并确定转子附加质量、壳体附加质量、液体禪合质量的计算表达式；
[0008] (3)将立式多级离屯、累转子沿轴线方向划分为相应的圆盘、轴端和支承单元，支承 和联轴器处约束分别用弹黃和阻尼器表示，在确定转子附加质量、壳体附加质量、液体禪合 质量的计算表达式的基础上，分别对离屯、累转子的圆盘、轴端和支承进行受力分析，建立带 液工况下立式多级离屯、累转子动力学方程；
[0009] (4)根据立式多级离屯、累转子物理结构实际尺寸和质量参数，结合立式多级离屯、 累转子的轴、叶轮、穀、套的密度、剪切模量、弹性模量和滚动轴承刚度值，构建"干态"下立 式多级离屯、累转子系统动力学有限元实体模型;其中对于非圆锥体构件，通过Pro/E软件分 析得到它们的质量、转动惯量、重屯、位置参数，根据其重屯、位置来确定它们在轴上的具体位 置，W刚性圆盘形式来施加等效的质量和转动惯量参数;对"干态"下立式多级离屯、累转子 系统动力学有限元实体模型进行静力学分析，得到的转子长度、质量、支承跨距数值与设计 值对比，按照误差在5 %范围W内的准则，对"干态"下立式多级离屯、累转子系统动力学有限 元实体模型的几何参数进行验证；
[0010] (5)基于步骤(1)构建的立式多级离屯、累中工作介质几何结构模型和步骤(3)所得 到的带液工况下立式多级离屯、累转子动力学方程，将通过转子附加质量，壳体附加质量和 液体禪合质量计算表达式计算所得转子附加质量，壳体附加质量和液体禪合质量作为约 束，施加在步骤(4)建立的"干态"下立式多级离屯、累转子动力学有限元模型上，从而构建出 带液工况下立式多级离屯、累转子系统有限元动力学模型。
[0011] 上述的带液工况下立式多级离屯、累转子动力学建模方法中，步骤(1)中：立式多级 离屯、累包括转子、叶片、叶轮、机壳，转子和壳体间是质量不可忽略的液态工作介质;为有效 快速建立离屯、累中工作介质几何结构模型，模化时将叶片等效为集中质量。
[0012] 上述的带液工况下立式多级离屯、累转子动力学建模方法中，步骤(3)中：建立的立 式多级离屯、累转子系统整体动力学方程为：
[001引 r为"干态"下转子系统惯性矩阵;c聲虑流体作用的系统阻尼矩阵皆为考虑流体 作用的系统刚度矩阵；Q为考虑流体作用的系统激励力矩阵;Gi为考虑巧螺作用的阻尼矩 阵；M;由轴段单元惯性矩阵M:及圆盘单元惯性矩阵M;形成；巧由轴段单元阻尼矩阵C: 及圆盘单元阻尼矩阵C;形成；斟由轴段单元阻尼矩阵< 及圆盘单元阻尼矩阵每形成， 巧，技，U分别为系统的加速度、速度、位移响应。m为液态工作介质附加质量矩阵，通过矩阵 m对转子附加质量、壳体附加质量、液体禪合质量进行描述：
[0020] 其中，P为工作介质的密度，扣为模化环形空间的内半径，化为模化环形空间的外半 径，L为模化环形空间的长度。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0022] 本发明结合带液工况下累内部工作介质质量不可忽略的特点，分析立式多级离屯、 累转子与工作介质的结构关系，将液态工作介质的影响分解为转子附加