水润滑轴承-转子系统的瞬态响应特性

阶跃、脉冲等非周期载荷具有幅值突变、变化剧烈的特点,当它们作用于滑动轴承主轴时,轴心位置可能会发生突变,造成轴承润滑状况的突然变化.海水淡化泵机组在启动、停机和转速变化时,可能会承受不同的瞬变载荷,为研究该泵水润滑轴承在瞬变载荷作用下的润滑情况及动特性的变化,使用Pro/E三维造型软件建立水润滑轴承-转子系统的流固耦合模型,应用计算流体动力学(CFD)技术和流固耦合(FSI)方法,分别对水润滑轴承-转子系统施加阶跃载荷、矩形载荷和三角脉冲载荷,分析不同时刻下转子的弹性变形对水润滑轴承周向压力分布、水膜承载力以及轴心位置的影响.结果表明:在瞬变载荷作用时,轴心位置、水膜承载力和最大水膜压力都有较大的变化并呈现一定的振荡过程;由于脉冲载荷作用时间有限,随着其消失,轴心位置仍收敛于原来的平衡位置,而阶跃载荷则使轴心位置收敛于新的平衡位置.     

海水淡化高压泵与能量回收一体机水润滑轴承-转子系统稳定性

为保障海水淡化高压泵与能量回收一体机的安全稳定运行,对轴颈倾斜时的水润滑转子系统的稳定性展开研究.基于流体动压润滑理论,采用差分法和微扰法,建立考虑四自由度的32动力系数模型,同时求解转子动力学方程,分析不同偏心距、倾斜角、载荷下轴承的动静特性和口环间隙水膜产生的流体动压润滑效应对转子稳定性的影响.求解转子系统特征方程,并通过特征值实部对转子的稳定性进行分析.研究结果表明：倾斜运动对转子稳定性影响较大,四自由度下偏心率和倾斜角的增大使得32个动特性系数有不同程度的增大,从而减小运行过程中转子涡动产生的位移量,同时具有更高的承载能力;口环间隙水膜的动压润滑效应对转子稳定性具有不可忽视的影响,可使得转子的位移响应减小为原来的1/3,达到稳定运行的时间缩短为原来的1/3;一体机转子的极限转速为40 000～45 000 r/min,当转速超过极限转速时,系统出现正实部的特征值,增大口环宽度和减小口环水膜间隙厚度可增大转子的极限转速.     

泵水润滑轴承—转子系统的动力学特性研究

针对当前泵水润滑轴承-转子系统模态分析与稳定性等动力学特性研究相对薄弱等问题,以设计的某高压多级泵为例,通过合理简化,建立研究该泵轴承-转子系统动力学特性的三维实体模型与数学模型;利用ANSYS进行的考虑惯性效应、不同角速度的多载荷模态分析生成了刚性支承坎贝尔图,计算得到了考虑陀螺效应的前4阶固有频率、3000 r/min载荷下的正进动涡动转速(即临界转速);分析得出了系统在工作转速与非工作转速下的轴系不平衡响应曲线;恒定转速下突加激励时转子系统的瞬态特性分析表明,虽然突加激励力后转子系统会出现较大振动,但随后振幅逐渐减小并趋于稳定,说明该水润滑轴承-转子系统是稳定的刚性系统.     

离心泵反转作液力透平的力学特性

以一台比转数为84.5的离心泵为研究对象,应用CFD软件对该泵作液力透平时的内部流场进行数值模拟,建立相对坐标系下的连续方程和时均Navier-Stokes方程,采用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法分别对泵工况和液力透平工况进行数值模拟,得到2种工况下在不同流量时的径向力.通过对比泵工况下径向力的数值计算值和Stepanoff公式计算值,发现两者径向力大小比较吻合,表明数值模拟建立的径向力计算模型是正确的.数值模拟结果表明:液力透平工况时的最高效率比泵工况时的最高效率低约5.4%;在相同流量下透平工况时径向力普遍小于泵工况时的径向力;透平工况时径向力的大小随流量的增大而增大;当流量小于设计流量的1.1倍时,随着流量的增大,液力透平工况时径向力的方向和隔舌的夹角从146°减小到125°,但当流量大于设计流量的1.1倍时,其与隔舌的夹角随流量的增大而增大,在1.4倍的设计流量时其夹角达到144°.通过计算和实例表明在透平工况下运行时,泵轴强度仍然满足使用要求.     

高压多级离心泵转子系统的不平衡响应特性

针对高压多级离心泵转子系统质量不平衡问题,采用有限元分析方法计算了水润滑轴承支撑的转子系统的模态,并对转子系统不平衡质量的位置和分布进行了分析和优化.数值计算结果表明,采用两端水润滑轴承支撑的高压多级泵转子系统,根据第一阶临界转速的判定原则证明其为稳定的刚性转子系统;在设计转速下,不平衡质量施加在转子不同位置时,泵入口端水润滑轴承节点振动幅度变化较大,其对不平衡敏感程度较高,而出口端水润滑轴承附近节点振幅变化较小,且前3级叶轮的剩余不平衡质量对轴系不平衡响应具有较大影响;通过优化组合叶轮和平衡盘的平衡精度等级,找到了两端轴承振动幅值较小的方案,当前两级叶轮采用G2.5级、其他叶轮和平衡盘采用G6.3级平衡精度时,泵进口端水润滑轴承节点的振动幅值明显降低,且泵出口端轴承节点的振幅变化较小,成功应用于高压多级离心泵的设计,满足了工程应用要求;在不同转速下,泵入口端水润滑轴承比出口端对不平衡响应更为敏感,建议入口端轴承采用更耐磨的材料.优化结果可为新型多级离心泵转子系统稳定运行提供理论依据和参考.     

流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究

为了研究斜流泵转子系统的动力学特性,以某型号的斜流泵作为研究对象,采用计算流体力学软件CFX 2021R1和有限元分析软件ANSYS Workbench 2021R1平台,对斜流泵转子系统的干湿模态固有频率和振型、临界转速以及基于流固耦合的瞬态动力学进行了求解,研究了叶轮叶片不同位置的变形与应力分布,对比分析了不同流量工况对叶轮叶片变形与应力分布的影响。结果表明：湿模态下转子固有频率会下降,同时随着阶数的增加,固有频率下降程度逐渐明显,第3阶模态时下降程度最小,下降率Δf为9.82%,第6阶模态时下降程度最大,下降率Δf为44.31%。计算所得第2阶模态的临界转速为7.369r/min,远大于转子工作转速,说明转子系统在工作转速下运行时不会发生共振,符合转子动力学的设计要求,能够稳定运转。叶轮叶片背面与工作面总变形量的变化趋势和变形量基本一致,叶片工作面出口叶顶位置变形量最大,幅值达到2.6755mm,各个位置处工作面变形量都大于背面,最大变形量差值为0.0358mm,叶顶处变形量都大于叶根处,最大差值为1.0177mm;叶片工作面进口叶顶处与背面处应力变化趋势和应力幅值大致相似,叶片工作面进口叶顶处与出口叶根处应力幅值都大于相应背面处,而在叶片背面出口叶根处应力幅值大于工作面处。叶片出口处测点应力幅值明显大于进口处测点,叶片背面出口叶根处等效应力最大,最大幅值约6MPa。不同流量工况下叶片变形量的变化趋势相似,随着流量增大,叶轮叶片各位置处变形量逐渐减小。0.6Q时叶片变形量随时间变化波动最大,最大变形量为3.0672mm,出现在叶片出口叶顶位置;在叶片叶顶处,随流量增大,应力波动逐渐减小,叶片叶根处,Q时应力幅值波动最大,进口与出口应力波动最小处分别出现在0.6Q与0.8Q流量工况,各位置最大等效应力为12.456MPa,叶根处每一个应力波动结束后,0.6Q与0.8Q应力曲线会额外多一次小波动,因此应避免泵在小流量工况下运行,并且应加强叶轮叶根处叶片厚度。研究结果可以为斜流泵转子系统运行稳定性分析以及叶轮叶片的结构优化设计提供参考。     

耦合传热与润滑影响的涡轮增压器浮环轴承动态特性分析

对考虑传热与润滑影响的涡轮增压器的转子——轴承系统进行动力学研究,详细阐述了涡轮增压器中转子以及浮环轴承的设计过程.首先分析了浮环轴承润滑和增压器传热模型,并对计入传热时涡轮增压器浮环轴承动态特性进行探究,包括临界转速与振型分析,系统不平衡响应以及非线性动力学分析.对整个系统进行动力学分析和计算后,选取匹配某款1.0 ...     

海水淡化泵水润滑轴承间隙的优化设计

针对海水淡化高压泵水润滑轴承存在的润滑问题,设计了6种不同轴承半径间隙的水润滑轴承;用三维造型软件Pro/E建立了滑动轴承内部三维流动水膜数学模型;利用Fluent 6.2进行非结构化六面体/楔形网格划分,采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对不同轴承半径间隙内水膜的三维流场和同一轴承半径间隙不同偏心距下的水润滑轴承的动特性进行了模拟,得到了轴承内部动压力分布以及流量、承载力、刚度与轴承半径间隙之间的关系.结果表明,所研究的水润滑轴承在半径间隙为0.2 mm时性能最佳.模拟结果可以对水润滑轴承的润滑特性进行预测,可为高压泵水润滑轴承的优化设计和安全运行提供参考.     

水润滑可倾瓦轴承动静特性

为了研究水润滑可倾瓦轴承的综合性能,以五瓦可倾瓦轴承作为研究对象,系统性地研究并分析了该水润滑轴承在不同结构参数下的动静特性.基于有限差分数值解法求解雷诺方程,分析了不同结构参数对水润滑可倾瓦轴承的最小水膜厚度、轴颈偏心率、Sommerfeld数及动力特性系数等性能参数的影响.研究结果表明:增大轴承的长径比或预负荷系数都可以提高水润滑可倾瓦轴承的承载特性;当转子不需要逆转时,采用瓦块支点偏置设计,当支点偏置率在0.6左右时水润滑可倾瓦轴承的性能较佳;适当加大承载瓦的瓦块张角有利于提高轴承的稳定性和承载能力.     

潜水轴流泵结构动应力分析

采用CFX 和Workbench软件在多工况下对潜水轴流泵的转子部件进行耦合计算,分析了转子部件在流体作用力、离心力以及重力作用下的应力、应变的分布规律,指出转子部件由于变形过大以及强度不足而引发失效事故的可能性.结果表明:轮毂受到的轴向力方向与叶轮受到的轴向力相反,且其受到的轴向力随着流量的增大而增大,在大流量情况下,轮毂可起到平衡轴向力的作用.从径向、轴向和周向变形可以看出,径向变形极小,周向变形最大,是叶轮的主变形,说明了扭矩在整个变形中占据了主要作用.叶片背面的压力值明显低于工作面,在叶片工作面靠近进口侧轮毂处附近区域出现较高应力区,会产生应力集中现象,且随着流量的增大,主应力减小.对水泵进行静力结构分析、强度校核,不仅可以降低事故的发生率,而且可以为轴流泵的水力优化设计提供有力的参考.     

基于Ansys的矿用潜水电泵转子系统的优化设计

应用三维造型软件Pro／E对矿用潜水电泵过流部件内部水体和部件进行实体造型,导入ICEM软件对水体部分进行非结构化网格划分．基于雷诺时均Navier—Stokes方程、标准k—ε湍流模型和SIMPLEC算法,采用计算流体动力学软件CFX对矿用多级潜水泵不同工况下的外特性进行数值模拟,并将模拟结果与试验结果进行对比,验证模拟结果的可靠性．将流场模拟结果导入AnsysWorkbench,对两支点支撑方式的转子系统进行基于流固耦舍的模态分析,计算得到了原有转子系统的一阶临界转速低于运行转速．根据对转子振型特点的分析,对转子系统进行三支点优化设计,并再次进行模拟计算．结果表明：原有两轴承支撑转子系统临界转速过低,是轴承7217AC／DB提前损坏、密封环磨损严重的主要原因;三支点转子临界转速远大于泵的实际运行转速,可大幅度提高轴承可靠性,减缓密封环的磨损．     

螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响

为了优化旋流泵输送含复杂介质、固相颗粒流体的能力和提高固液两相流输送效率,在叶轮前加置具有导向和推进作用的螺旋离心式诱导轮.通过对150WX-200-20型旋流泵进行数值计算及试验,获得了有、无诱导轮式旋流泵的性能变化,在此基础上,将旋流泵的力学特性与流动特性结合起来,分析螺旋离心式诱导轮对旋流泵力学特性的影响.研究结果表明,无叶腔内流体在诱导轮作用下,流体的运动形态发生变化,产生了旋涡、二次流等现象,加剧了压力脉动的强度,但压力脉动幅值有减小的趋势;蜗壳内压力脉动强度不仅与监测点和隔舌的相对位置有关,也和监测点所在流面的截面面积存在一定联系,当监测点所在断面面积既能保证流体受蜗壳的约束,且流体流动更加均匀时,该监测点的压力脉动越小;加置诱导轮后,进入叶轮流体由轴向运动转为径向运动,从而削弱轴向力的大小,同时,单叶片诱导轮非对称结构也会加剧波动变化.这一研究对了解旋流泵内的压力脉动变化、削弱轴向力及提高泵运行的稳定性具有重要意义.     

抽芯式斜流泵启动过程中转子动力学特性

针对抽芯式斜流泵异常振动现象,通过现场测试分析其振动诱因,进而基于能量守恒的拉格朗日方程建立机组转子非线性动力学模型,并通过与实测信号的峰峰值、振动频率等参数进行比较,验证仿真模型精度,重点研究泵组启动过程中轴心轨迹、振动频率等特征参数的动态响应,寻找降低水泵振动的技术措施.实测信号分析表明,抽芯式斜流泵异常振动诱因是机组启动伴生冲击力导致主轴发生偏移,当机组转速达到额定转速后,主轴偏移虽有所减小,却始终存在,造成机组产生不对中故障;仿真结果不仅证明了试验分析的准确性,同时也揭示了伴生冲击力与机组振动的内在联系:较强的冲击力会加剧转子不对中现象,形成剧烈机组振动,反之则相反.改善机组开机方式是降低伴生冲击力、减弱机组振动和提高机组运行可靠性的有力措施.     

不同工况下混流泵转子径向力及压力脉动

为了研究混流泵内部非定常流动特性,基于ANSYS CFX软件对混流泵的外特性和内部流场进行了非定常计算,获得了不同流量工况下转子径向力的分布情况和不同监测点的压力脉动时域、频域响应,分析了不同流量工况对混流泵转子径向力和压力脉动的影响.研究结果表明,数值计算的外特性结果与试验测量结果的趋势基本吻合,说明数值计算的准确度较高.3种流量工况下径向力的分布均呈现一定的周期性,小流量工况下的瞬态径向力合力最不稳定,设计工况下的瞬态径向力合力规律性最强,大流量工况下混流泵瞬态径向力合力波动性最小.不同流量工况下叶片通过频率始终占主导因素,低频信号是引起设计工况压力脉动的主要原因,流量变化对轮缘间隙进出口压力系数幅值影响较小,对叶轮中间位置处压力系数幅值影响较大.研究结果为揭示导叶式混流泵内部不稳定流动特性及其诱导的转子故障恶化提供理论依据.     

气液两相下离心泵内部流动数值模拟

为了研究在气液两相条件下,离心泵运行过程中内部流动及压力变化情况,选取比转数为129的离心泵作为研究对象,建立整泵的流场模型,基于仿真模拟软件CFX提供的Eulerian-Eulerian非均相流模型对模型泵进行了非定常数值模拟,得到在不同气相体积分数下,蜗壳流道内所选监测点和监测面的压力脉动及气相体积分布情况,并将数值模拟的性能曲线与试验进行了对比.结果表明:蜗壳流道内气相体积主要分布在与叶轮前盖板同侧方向.不同监测点在不同含气量下的压力脉动主频都等于叶片的通过频率.随着气相体积分数的增加,监测点压力幅值随时间呈周期性变化的规律开始受到破坏,压力脉动频域开始出现一定的紊乱,在低频处出现了一系列的波动.叶轮流道内气相分布不均匀致使叶轮周围液体压力分布不均匀,导致叶轮所受的径向力逐渐减小,周期性受到破坏.     

多级离心泵转子固有频率影响因素的比较

为了有效改善多级离心泵转子系统的临界转速问题,利用转子动力学理论结合有限元分析方法,分析比较了几种不同因素对多级离心泵转子固有频率（可转化为临界转速）的影响,同时利用实体模型进行了振动模态数值分析,给出了相应的弯振和扭振阵型图．定量地比较了流固耦合作用和旋转软化效应对转子固有频率的影响,给出了影响转子临界转速的因素与优化方法,并将数值计算结果与试验结果进行了比较．分析表明准确地简化支承,并合理地确定支承刚度、阻尼矩阵是精确计算临界转速的必要前提;流固耦合作用对叶片产生的液体力相当于对叶轮添加了虚质量的缘故,而旋转软化通过科里奥利效应起作用;多级离心泵转子的干临界转速与湿临界转速差别较大,计算值与试验值基本一致．ANSYS 数值模拟具有一定的准确性,为多级离心泵的转子的设计提供了一定的参考．     

矿用多级抢险排水泵气液两相流动特性分析

为研究气液两相流对矿用多级抢险排水泵性能的影响,以一台四级矿用潜水离心泵为研究对象,采用 ANSYS CFX数值模拟方法,基于Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同气体体积分数,不同气泡直径、四级离心泵进行气液两相流定常数值模拟.模拟得到气液两相流下的矿用多级抢险排水泵性能曲线及转子轴向力,并对扬程、效率、转子轴向力进行分析对比,同时分析泵内部气体分布规律.结果表明:在气液两相流条件下,气泡直径、气体体积分数都对泵的外特性及转子轴向力有显著的影响,在大流量、气体体积分数比较高的情况下,矿用多级抢险排水泵的扬程和效率会急剧下降,并出现转子残余轴向力与正常运行条件下转子残余轴向力方向相反的情况;内部流动中,气液两相流条件下叶轮出口出现局部回流,回流从吸力面流向压力面.