基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于转子动力学领域，特别设及一种基于间隙流的多级累转子动力密封的 设计方法。
【背景技术】
[0002] 多级离屯、累作为流体输送的关键设备，不仅广泛应用在石油、化工、水利、灌概等 工农业领域，而且也是核电、航空、舰船和潜艇等高技术领域的关键设备，其系统复杂，自动 化程度高，一旦发生设备故障停机，会给安全生产带来严重威胁。多级离屯、累目前正向高速 化、大型化和大功率化的方向发展，越来越多的多级离屯、累需要在高温高压等恶劣工况下 运转，因此多级离屯、累的可靠性问题日益突出，越发受到人们的重视。
[0003] 在多级离屯、累中，为了实现平衡压力和密封的要求，大量存在入密封口环、级间密 封W及平衡鼓等环形间隙流到，而存在的该些间隙一方面会造成泄漏，从而降低累的效率， 另一方面会对离屯、累的振动性能造成影响。在间隙密封中，当两端存在压差时，偏屯、的转子 会受到一个很大的回复力的作用，而该又相当于增加了轴的刚度。由此在多级累运行安全 的角度很难忽视小间隙流对离屯、累的影响。转子系统均为细长轴多转子系统，在该一系统 中，对转子系统特性起决定性作用的不再是转轮（叶轮）本身的固有特性，而是包括主轴在 内整个系统的禪合。叶轮内部流体的存在会在一定程度上降低叶轮本身的固有频率，但对 整个转子系统振动特性则基本不会造成影响。
[0004] 在现有技术下，多级离屯、累转子系统动力学的研究还没有形成一整套的理论，只 是针对转子系统中的某一点进行研究，得出的研究结果并不一定能适用于整个转子系统， 并且也没有明确的计算方法来解决间隙流对转子动力学的影响，只是一般理论上的分析。 因此有必要对间隙流对转子动力学影响的计算方法作进一步完善。
[0005] 专利号为201110231746.X发明专利"可主动调节变速工作转子临界转速的转子 系统"提到了一种可主动调节变速工作转子临界转速的转子系统。此专利通过在传统转子 系统上设置辅助支承系统，实时调整辅助支承系统的支承刚度，从而改变系统支承结构和 支承刚度，并改变系统临界转速，使旋转机械在工作区稳定运转的可主动调节变速工作转 子临界转速的转子系统。专利号为200810107343. 2发明专利"离屯、累临界转速的试验方法 及其试验装置"提到了一种离屯、累临界转速的试验方法及其试验装置。此发明可直接通过 观测离屯、累的转速来测定其干、湿临界转速，既方便又准确，W确保累运行的安全可靠性。 专利号为201310648017. 3发明专利"一种多级离屯、累湿转子临界转速的确定方法"提供一 种多级离屯、累湿转子临界转速的确定方法，所述方法主要利用节点自动划分模块、模型创 建模块和模型计算模块来进行临界转速的确定，所述各模块之间进行数据处理顺序依次为 节点自动划分模块、模型创建模块和模型计算模块。专利号为200820137897. 2实用新型专 利"离屯、累临界转速试验装置"提供了一种离屯、累临界转速试验装置，此实用新型专利可W 直接通过观测试验离屯、累的转速来测定试验离屯、累的干、湿临界转速，既方便又准确，W确 保累运行的安全可靠性。但是W上所述的=个发明专利和一种实用新型专利都没有设及明 确的关于转子动力学的计算方法，或者只是一种操作方法，或者一种试验装置，而不是准确 的设计方法。鉴于W上原因，本发明人提出一种全新的明确的设计方法，完善了设计所需参 数的公式。最为重要的是，本发明能够确保多级累中转子系统该一重要的转动部件持续安 全稳定高效地工作，不会因间隙流的影响而造成失稳。
[0006] 发明目的
[0007] 多级累中为实现平衡压力及密封的作用，大量存在如密封口环、级间密封及平衡 鼓等环形间隙流道。而该些环形间隙流道对多级累的的振动性能造成影响，并且影响多级 累运行的安全性与稳定性。如何实现多级累在保证运行安全稳定的同时，更好的利用环形 密封中间隙流所产生的刚度对转子系统起支撑作用，已经成为当前多级累转子系统发展的 紧迫问题。目前，现有的转子动力学的分析方法并不完备，即使是个别间隙流对转子动力学 的研究方法也不无可改进之处。本发明的目的在于，为间隙流对转子动力学的影响提供一 种科学的、系统的、更完善的研究计算方法，改善多级累转子系统运动的规律，提高多级累 转子运行的稳定性和使用寿命。还有助于计算机编程应用和计算机辅助计算，能很大程度 上取代多级累转子系统中密封间隙流对转子运动影响的主要参数的原来经验设计法，而且 计算更加精确，使理论设计与实际模型更符合。
【发明内容】
[000引为了解决上述问题，本发明给出了多级累间隙流所产生的刚度系数和阻巧系数的 计算方法，考虑了静态和动态情况转子系统的运行，改善了转子系统的研究手段，尤其对静 态和动态转子计算方法做了独创性设计，W保证多级累转子系统工作的可靠性和稳定性。
[0009] 实现上述目的所采用的技术方案是：
[0010] (1)轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2
[0011]
(1)
[001引 式中；Dk-轴端直径，米；
[0013] 〇2-叶轮直径，米；
[0014] HtDt-多级累总扬程，米；
[0015] n,-比转数；
[0016] n-水力效率；
[0017] n-叶轮转速，转/分；
[001引 i-叶轮级数；
[0019] d-轴端直径与叶轮直径比值系数。
[0020] (2)轴端直径与叶轮直径比值系数d
[0021]
[0022] 式中；n,-比转数； (2)
[0023] Q-叶轮流量，米^秒；
[0024] n-叶轮转速，转/分；
[0025] (3)径向间隙比系数與
[0026]
(3)
[0027] 式中-径向间隙比系数；
[002引 M-轴承跨度中屯、质量，千克；
[0029] PE-转子材料密度，千克/米3;
[0030] 〇2-叶轮直径，米。
[0031] (4)转子径向位移与密封流道单边设计间隙比值z/h
[0032]
(4)
[003引式中；Z-转子径向位移，米；
[0034] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0035] 口径向间隙比系数；
[0036]g-重力加速度，米/秒2;
[0037]C,-转子材料中的声速，米/秒；
[003引 k轴承跨度长度，米；
[0039] 〇2-叶轮直径，米；
[0040] D，-转子轴直径，米；
[0041] C-密封间隙各段交叉阻巧系数。
[00创 妨固有频率与转速频率比值4化
[0043]
(5)
[0044] 式中；4-固有频率；
[0045] ft"转速频率；
[0046] 庐-径向间隙比系数；
[0047] n-叶轮转速，转/分；
[0048] Cs-转子材料中的声速，米/秒；
[0049]k轴承跨度长度，米；
[(K)加]〇2-叶轮直径，米；
[0化1] D,-转子轴直径，米。
[0化2] (6)水力径向力Fh
[0053] (6)
[0054] 式中；Fh-水力径向力，牛；
[0055] 1])-扬程系数；
[0056] Hs-比转数；
[0057] Q-叶轮流量，米秒；
[00郎]〇2-叶轮直径，米；
[0059] n-叶轮转速，转/分；
[0060] i-叶轮级数。
[0061] (7)当考虑转速n对入口损失系数C的影响时，
[00创入口损失系数写
[0063] C=-1.06061n(n)+9. 3797 (7)
[0064] 式中；C-入口损失系数；
[00化]n-叶轮转速，转/分；
[0066] 做当考虑密封流道单边设计间隙h对入口损失系数C的影响时，
[0067] 入口损失系数写
[0068] C= 182. 3化3-211. 9化2+83. 32化-10. 216 (8)
[0069] 式中；入口损失系数；
[0070] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0071] (9)密封间隙各段主刚度系数K
[0072] K= 0. 0967 化/DJ-1.12 (9)
[007引式中；K-密封间隙各段主刚度系数；
[0074] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0075] D，-转子轴直径，米。
[0076] (10)密封间隙各段交叉刚度系数k
[0077] k= 7. 5589e(-〇'i8i… (10)
[007引式中；k-密封间隙各段交叉刚度系数；
[0079] 入口损失系数。
[0080] (11)密封间隙各段交叉阻巧系数C
[00川 C =75. 29 (L0/Dw) 2.5553 (1 1)
[0082] 式中；C-密封间隙各段交叉阻巧系数，
[008引U-单级环形密封长度，米；
[0084] V转子轴直径，米。
[0085] (12)密封间隙各段主阻巧系数C
[0086] C= 4591. 3e(-。. 164W (12)
[0087] 式中；C-密封间隙各段主阻巧系数；
[0088] 入口损失系数。
[0089] 当考虑密封流道参数对密封间隙各段刚度系数、密封间隙各段阻巧系数和密封间 隙各段质量系数的影响时，
[0090] (13)主刚度系数增量K*
[0091]
(13)
[009引式中；K*-主刚度系数增量；
[009引 h-密封流道单边设计间隙，米；
[0094] L。-单级环形密封长度，米；
[00巧]D,-转子轴直径，米；
[0096]n-叶轮转速，转/分；
[0097] Ps-密封间隙流道入口压力，帕；
[009引 P。-密封间隙流道出口压力，帕；
[0099] K-密封间隙各段主刚度系数；
[0100] (14)交叉刚度系数增量k*
[0101]
(14)
[0102] 式中；k*-交叉刚度系数增量；
[0103] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0104] L。-单级环形密封长度，米；
[01化]D,-转子轴直径，米；
[0106] n-叶轮转速，转/分；
[0107] P,-密封间隙流道入口压力，帕；
[010引 P。-密封间隙流道出口压力，帕；
[0109] k-密封间隙各段交叉刚度系数；
[0110] (15)主阻巧系数增量C*
[0111]
(15)
[011引式中；料-主阻巧系数增量；
[0113] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0114] L。-单级环形密封长度，米；
[01巧]D，-转子轴直径，米；
[0116] n-叶轮转速，转/分；
[0117] P,-密封流道入口压力，帕；
[011引P。-密封间隙出口处压力，帕；
[0119] C-密封间隙各段主阻巧系数；
[0120] (16)交叉阻巧系数增量C*
[0121] (16)
[0122] 式中；c*-交叉阻巧系数增量；
[0123] h-密封流道单边设计间隙，米；
[0124] L。-单级环形密封长度，米；
[01巧]D,-转子轴直径，米；
[0126] n-