一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法
【专利摘要】本发明提供一种多级离心泵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。首先由节点自动划分模块在工程图纸基础上创建湿转子系统的几何模型，并且对其进行节点的自动划分；其次利用模型创建模块输入转轴、叶轮、轴承、密封间隙等零部件的物理参数，建立多级离心泵轴系的总质量矩阵[M]，总刚度矩阵[K]、总阻尼矩阵[C]以及整体计算模型；最后利用模型计算模块求解多级离心泵轴系整体计算模型，绘制坎贝尔图并得到所需的前n阶临界转速。本发明操作简单，工程适用性广，能对不同结构情况下的多级离心泵湿转子临界转速进行计算，指导多级离心泵转子的工程设计和运用，缩短设计周期，提高多级离心泵转子的生产效率。
【专利说明】一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及多级离心泵转子设计领域，本发明更具体地涉及一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法。
【背景技术】
[0002]多级离心泵广泛运用于化工、石油和电力等领域中，多级离心泵正朝着大型化、高转速方向发展，叶轮数量不断增加，机组运行的稳定性也越来越重要。在多级离心泵转子动力学的设计研究中，临界转速是旋转机械中十分重要的一个概念和参数，当多级离心泵工作在临界转速附近时，轴系挠曲量显著增加，与密封间隙和壳体部件产生严重的碰磨，振动噪声很大，对操作人员和机器设备将产生严重的危害，造成严重的破坏性事故。
[0003]转子临界转速的计算方法常采用传递矩阵法和有限元法两种方法，而后者相较于前者，应用更加广泛。同时多级离心泵转子动力学的设计研究中存在着干转子和湿转子两种不同的情况，两者之间最大的不同在于是否考虑各级转子间密封间隙对于高速旋转泵轴的作用力，相同情况下考虑其作用的湿转子临界转速高于干转子情况。在单级或级数很少，转速较低时，间隙中流体对于泵轴影响较小，但是随着转速提高，叶轮级数的增多，间隙中流体对于泵轴的作用力将不可忽略，其对于泵轴的湿转子效应将十分显著，因此必须考虑其对于多级离心泵临界转速的影响。
[0004]目前，国内工程上对多级离心泵轴系的临界转速计算还主要针对干转子情况，通过ANSYS、ADAMS等有限元软件对多级离心泵轴系进行建模并求解临界转速，对于多级叶轮、长轴系的多级离心泵然从建模到得到结果需要较长时间，并且建模中常由于未考虑泵轴的湿转子效应导致计算值与实际情况存在较大出入，而且以上有限元软件需要具备一定专业素养的操作人员进行操作，生产效率低，无法在工程上进行广泛推广使用，用于指导多级离心泵转子工程设计和生产，现阶段缺少适用于工程上多级离心泵湿转子临界转速计算的指导方法和平台。
【发明内容】
[0005]本发明为解决工程上多级离心泵湿转子轴系临界转速的确定问题提供一种多级离心泵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，其特征在于: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，并且所述各模块进行数据处理是通过以下步骤实现的:
[0006]步骤1:节点自动划分模块:
[0007]1-1)根据工程图纸确定转轴几何模型；
[0008]1-2)根据工程图纸确定叶轮个数及各级叶轮所在位置；
[0009]1-3)根据工程图纸确定轴承个数及各轴承所在位置；
[0010]1-4)进一步确定密封间隙的数目及各密封间隙所在位置；[0011]1-5)确定划分节点的最大间隙值；
[0012]1-6)按照节点叠加原理实现多级离心泵湿转子的节点自动划分；
[0013]步骤2:模型创建模块:
[0014]2-1)确定转轴相关物理参数；
[0015]2-2)确定叶轮相关物理参数；
[0016]2-3)确定各轴承的支撑动特性系数；
[0017]2-4)进一步确定各密封间隙的支撑动特性系数；
[0018]2-5)根据已划分好的节点以及转子上述相关物理参数，利用有限元法创建计算模型的总质量矩阵[M]，总刚度矩阵[K]、总阻尼矩阵[C]以及转子计算模型；
[0019]步骤3:模型计算模块:
[0020]3-1)对转子计算模型进行降阶处理，将其由二阶微分方程降为一阶微分方程；
[0021]3-2)求解转子计算模型的特征值，并提取其特征值的虚部值；
[0022]3-3)确定需要前η阶的临界转速阶数，以转速为横坐标，涡动速度为纵坐标进行坎贝尔图绘制并得到所需前η阶的临界转速。
[0023]依据本发明的一个方面，本发明的多级离心泵湿转子临界转速确定方法能够对不同几何模型的多级离心泵湿转子进行节点自动划分。
[0024]依据本发明的一个方面，本发明的多级离心泵湿转子临界转速确定方法能够求取不同几何模型的多级离心泵湿转子情况下的临界转速。
[0025]依据本发明的一个方面，本发明的多级离心泵湿转子临界转速确定方法能够根据工作人员的需要求取满足工程应用的前η阶多级离心泵湿转子情况下的临界转速。
[0026]本发明解决了目前工程上多级离心泵湿转子临界转速的确定问题，通过节点自动划分和有限元方法能够对不同几何参数下的多级离心泵湿转子临界转速进行确定，同时也能够根据操作人员要求计算满足工程运算的多级离心泵湿转子情况下的前η阶临界转速，符合实际工程需要。并且该平台不需要操作人具有较高专业素质，操作简单方便，简化了求解过程，大大节约了多级离心泵转子的设计周期，提高了多级离心泵转子的生产效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为依据本发明的一个具体实施例的进行多级离心泵湿转子轴系临界转速确定的流程框图；
[0028]图2是依据本发明的一个具体实施例的节点自动划分的流程图；
[0029]图3是依据本发明的一个具体实施例的计算模型自动创建的流程图；
[0030]图4是依据本发明的一个具体实施例的计算模型求解临界转速的流程图；
[0031]图5是依据本发明的一个具体实施例的多级离心泵湿转子几何模型工程示意图；
[0032]图6是依据本发明的一个具体实施例的湿转子简化示意图；
[0033]图7是依据本发明的一个具体实施例的湿转子求解得到的坎贝尔图；
[0034]其中，1-左端滚动轴承，2-转轴，3-前端口环密封，4-叶轮，5-中间轴套，6-中间衬套，7-后端口环密封，8-右端滚动轴承。
【具体实施方式】[0035]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明而不是对本发明的限制。
[0036]如图1所示，根据本发明多级离心泵湿转子临界转速确定方法主要利用三大模块:节点自动划分模块、模型创建模块和模型计算模块，各模块之间依次进行数据处理，首先由节点自动划分模块完成对整个转子的节点自动划分，在保证节点划分好以后，进入模型创建模块，在该模块里面完成总质量矩阵[M]，总刚度矩阵[K]、总阻尼矩阵[C]以及转子计算模型的创建，最后在模型计算模块里完成对计算模型的求解，得到多级离心泵转子临界转速。
[0037]所述各模块进行数据处理是通过以下步骤实现的:
[0038]进一步地，如图2所示，步骤1:节点自动划分模块:
[0039]如图5所示，根据工程图纸确定转轴几何模型，如图6所示的湿转子简化示意图，转轴(2)的各级叶轮(4)处有定位轴肩，轴肩处直径略大于叶轮处转轴直径，在简化时可忽略；选取左端轴的左端面为基准平面，本实施例1中转轴几何参数列于表1中；
[0040]
【权利要求】
1.一种多级离心泵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，其特征在于: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，并且所述各模块进行数据处理是通过以下步骤实现的: 步骤1:节点自动划分模块: 1-1)根据工程图纸确定转轴几何模型； 1-2)根据工程图纸确定叶轮个数及各级叶轮所在位置； 1-3)根据工程图纸确定轴承个数及各轴承所在位置； 1-4)进一步确定密封间隙的数目及各密封间隙所在位置； 1-5)确定划分节点的最大间隙值； 1-6)按照节点叠加原理实现多级离心泵湿转子的节点自动划分； 步骤2:模型创建模块: 2-1)确定转轴相关物理参数； 2-2)确定叶轮相关物理参数； 2-3)确定各轴承的支撑动特性系数； 2-4)进一步确定各密封间隙的支撑动特性系数； 2-5)根据已划分好的节点以及转子上述相关物理参数，利用有限元法创建计算模型的总质量矩阵[M]，总刚度矩阵[K]、总阻尼矩阵[C]以及转子计算模型； 步骤3:模型计算模块: 3-1)对转子计算模型进行降阶处理，将其由二阶微分方程降为一阶微分方程； 3-2)求解转子计算模型的特征值，并提取其特征值的虚部值； 3-3)确定需要前η阶的临界转速阶数，以转速为横坐标，涡动速度为纵坐标进行坎贝尔图绘制并得到所需前η阶的临界转速。
2.根据权利要求1所述的多级离心泵湿转子临界转速的确定方法，其特征在于:所述方法能够对不同几何模型的多级离心泵湿转子进行节点自动划分。
3.根据权利要求1所述的多级离心泵湿转子临界转速的确定方法，其特征在于:所述方法能够求取不同几何模型的多级离心泵湿转子情况下的临界转速。
4.根据权利要求1所述的多级离心泵湿转子临界转速的确定方法，其特征在于:所述方法能够根据工作人员的需要求取满足工程应用的前η阶多级离心泵湿转子情况下的临界转速。
【文档编号】G06F17/50GK103632006SQ201310648017
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】邢桂坤, 周文杰, 姚德群, 王乐勤, 杨宇宸, 宋少光, 吴大转, 邵晨, 范吉全, 李玉龙 申请人:中国寰球工程公司, 浙江大学