基于CFD数值计算的高速井泵转子动力学特性研究

论文摘要

高速井泵具有性能优越、结构紧凑、节能节材、维护方便等独特优点,被广泛应用于农田排灌、楼宇供水、地热利用、石油开采等诸多领域。转速的大幅度提升,对井泵的水力设计、转子稳定性以及整机可靠性等提出了更高的要求。本文通过对某高效的六级高速井泵进行数值模拟,分析得到了不同工况下该泵的压力脉动特性以及径向力轴向力分布规律,运用SAMCEF软件重点分析了该泵“干湿态”转子的临界转速及振型,深入研究了启动时间、不平衡质量、流体激励力以及不同转速等对转子瞬态特性的影响规律。本文所做的主要工作有:1.简要阐述了本文的研究背景和研究目的,系统总结了国内外在深井泵、高速泵、压力脉动、转子动力学等方面的研究现状,提出了本文的主要研究内容和研究方法。2.基于CFD数值模拟与外特性试验,分析了该泵的水力性能并验证了数值模拟的准确性,深入探究了该泵速度场和压力场的分布规律。结果表明:各级叶轮压力和速度的变化规律符合水力设计原理,水力性能较好。3.系统研究了高速井泵内流场的非定常特性,分析得到了不同工况下各级叶轮、导叶、泵腔内流体的压力脉动特性;提取得到了作用在叶轮与转子上的径向力、轴向力及其分布规律。结果表明:(1)叶轮出口处瞬态特性最为明显,泵腔次之,表明叶轮与泵腔交界面产生的动静耦合作用是压力脉动产生的主要原因;(2)叶轮中截面进出口压差随流量的增加,逐渐减小;(3)叶轮径向力分布特征受长叶片影响较大,轴向力随流量增加逐渐变小。4.基于SAMCEF转子分析软件,对该泵的转子部件进行一维简支梁模型、二维傅里叶模型、三维实体模型下的临界转速及振型分析。在考虑口环密封力的基础上,计算获取了不同工况下三维实体模型的临界转速及振型,并与“干态”计算结果进行对比。以轴承的弹性支承刚度为变量,研究其对转子模态的影响。结果表明:(1)三种计算模型一阶涡动频率几乎相等;(2)在三维“湿态”转子模型下,随流量变大,涡动频率减小,相比于“干态”转子模型计算结果,转子稳定性有所提高;(3)随着支承刚度的增加,临界转速有所增加,但各阶频率对刚度值变化的敏感度不同。5.基于瞬态响应分析,计算得到各级叶轮转子的加速度和位移响应曲线,确立了第三级叶轮为下文瞬态研究对象。在“干态”条件下,以转子启动时间和叶轮不平衡质量为变量,探讨该转子模型的瞬态变化规律。在“湿态”条件下,研究口环动力特性系数、流体激励力以及转子转速对转子瞬态的影响,计算得到了转子在不同时间段下加速度、位移和轴心轨迹曲线。研究表明:(1)第三级叶轮径向位移量最大,与前文模态分析结论一致;(2)设计工况点下湿态转子的加速度和位移规律性较为明显,径向位移量略大于“干态”转子模型;(3)转子启动时间越长,径向增量速率越小;(4)不平衡质量与转子转速越大,瞬态响应越明显。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 深井泵研究现状

1.2.2 高速泵研究现状

1.2.3 压力脉动研究现状

1.2.4 转子动力学研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 本章小结

第二章数值计算与试验分析

2.1 理论基础

2.1.1 流体力学基本方程

2.1.2 湍流模型

2.2 数值模拟方法

2.2.1 计算模型

2.2.2 计算域选取

2.2.3 边界条件设置

2.2.4 网格无关性分析

2.3 试验装置及性能分析

2.4 内流场分析

2.4.1 泵体速度分布

2.4.2 泵体压力分布

2.5 本章小结

第三章非定常特性研究

3.1 压力脉动概述

3.2 非定常计算设置

3.3 压力监测点设置

3.4 不同区域压力脉动分析

3.4.1 叶轮压力脉动分析

3.4.2 泵腔压力脉动分析

3.4.3 导叶压力脉动分析

3.5 叶轮上压力分析

3.6 叶轮径向力分布

3.7 叶轮轴向力分布

3.8 本章小结

第四章 “干湿”模态分析

4.1 临界转速计算理论基础

4.1.1 临界转速含义

4.1.2 支承刚度与阻尼

4.1.3 陀螺力矩

4.1.4 临界转速计算方法

4.2 轴承动力特性系数

4.2.1 轴承结构简化

4.2.2 轴承阻尼系数

4.2.3 轴承刚度系数

4.3 环压密封动力特性系数

4.3.1 环压密封工作原理

4.3.2 口环动力特性系数计算

4.4 一维与二维模型的模态分析

4.4.1 轴承-转子模型简化

4.4.2 简支梁模型临界转速及振型分析

4.4.3 傅里叶模型临界转速及振型分析

4.5 三维计算模型的模态分析

4.5.1 “干态”临界转速及振型分析

4.5.2 “湿态”临界转速及振型分析

4.6 弹性刚度值对转子稳定性影响

4.7 本章小结

第五章瞬态特性分析

5.1 瞬态分析的理论基础

5.1.1 瞬态响应概述

5.1.2 失衡原因及影响

5.1.3 许用不平衡量

5.2 瞬态分析的计算基础

5.2.1 计算设置

5.2.2 瞬态响应误差分析

5.2.3 各零部件响应分析

5.3 不同工作状态下结果分析

5.3.1 计算模型

5.3.2 “干态”结果分析

5.3.3 “湿态”结果分析

5.4 不同参数下瞬态分析

5.4.1 启动时间对瞬态响应影响

5.4.2 质量对瞬态响应影响

5.4.3 无不平衡量流体激励力响应分析

5.4.4 有不平衡量流体激励力响应分析

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 研究总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研项目及取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴国桥

导师: 蒋小平

关键词: 高速井泵,数值计算,试验验证,水力性能,压力脉动,模态分析,瞬态分析,转子动力学

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,机械工业

单位: 江苏大学

分类号: O35;TH38

总页数: 90

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