论离心泵转子振动研究现状与展望研究

陌影

针对国内外文献中所分析的离心泵转子振动的影响因素，结合试验所得结果对离心泵的计算模型、计算设计方法和振动故障等研究现状进行综合分析，提出离心泵转子振动分析应在已有的分析理论基础上分别分析离心泵的汽蚀、流体激振、密封间隙力等因素对离心泵转子振动的影响，并提出将流固耦合、汽蚀和碰摩耦合理论综合起来分析离心泵转子部件的振动现象。
    离心泵是一种旋转式流体机械，运行时会由于各种各样的原因而产生振动，离心泵振动既具有一般旋转机械的常见振动现象，又具有水泵特有的流－固耦合、流体激振等特性。离心泵的核心部件是转子－轴承－基础系统，其中转轴与叶轮可以认为是转子，轴承和密封等属于静子。由于离心泵运行的安全性、长期性、稳定性等要求，必须对离心泵的运行进行实时监测，对出现的各种故障以及故障程度进行准确诊断，最大限度地提高其工作效率，减少检修次数，降低损失。振动是离心泵转子系统关键问题之一。振动主要来自于轴承支承刚度、叶片与流体激振、机组设计与制造安装缺陷以及碰摩、支座松动、转轴裂纹等故障，具有很强的非线性。要想准确地对这些故障进行预测与诊断，必须了解其故障特征以及它们对转子系统的动力学影响，对故障转子系统进行非线性研究。因此，利用非线性有限元方法、现代非线性理论与转子动力学理论对离心泵进行合理建模，预先估计、分析其可能出现的各种故障及故障对其运行的影响程度具有一定的现实意义。
    一、国外及其国内的研究现状
    针对提灌和城市供水泵站使用的大型离心泵出现的泵轴和密封环损坏以及电机窜轴等问题，理论分析认为是用于离心泵转子部件的振动引起的，目前所了解的引起转子振动的有以下原因：机电耦合，弯扭耦合，松动－裂纹耦合，松动－碰摩耦合耦合振动（如流固耦合、磁固耦合、气固耦合振动），非对称转子－轴承系统碰摩系统，不平衡、初始弯曲、刚度非对称、不对中、油膜涡动和油膜振荡、旋转失速和喘振、摩擦与松动、转子裂纹、密封失稳、齿轮与滚动轴承故障等。
    1.机电耦合工程中的绝大部分转子系统都以交流电机作为动力源，机电耦合是转子系统在起动、制动、负载冲击和自激震荡等非平稳过程中表现出的基本特征。建立转子系统的机电耦合数学模型并利用该模型定量研究非平稳过程中各系统参数的变化规律，对于转子系统的参数设计和故障诊断具有重要价值。
    综合考虑供电电网中串联补偿电容、机械转子系统横振、电机转子与机械转子的旋转运动及相对扭振的影响，以经典电机理论为基础建立了转子系统的一种综合的机电耦合数学模型。
    通过对由串联电容和负载波动引起的两种机电耦合非平稳过程的数值研究证实，机电耦合模型不仅能反映电机系统和机械转子系统固有的动力学特性，而且能反映电机系统和机械转子系统之间的耦合动力学规律，适用于研究转子系统的各种非平稳过程，熊万里等人发表的"用机电耦合模型研究转子系统的非平稳过程"。
    （未完待续……）、
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_153979a1a0102w7c2.html

陌影

文章来自： www.bengyechina.com  中国泵业网
国外学者对流固耦合理论的研究主要在美国、英国、德国和日本。在美国，有一半以上著名大学的土木系都投入了对流固耦合的应用研究，其中最为突出的是 MIT的 Bathe。在 Bathe的主持下，美国每年召开一次关于流固耦合问题研究学术交流会，并且在商用软件中实现了流固耦合问题的计算。在英国已经宣布了成功应用流固耦合理论对F1的计算，在Zienkiewicz O C的三卷本有限元法的专著中用了整整一卷讨论流体的计算。德国学者的论文中也显示了在流固耦合理论方面的成果。流固耦合理论从流体和固体互相作用的行为本质上去讨论它们的规律，是现代工程理论的基础，通过研究不仅提高理论水平，而且可以获得更高层次的应用。
    5.密封间隙中流体激振力引起的振动流体密封间隙中的流体激振是高压涡轮泵等叶轮机械常见而很难解决的问题。虽然对其机理的认识目前尚不十分清楚，但普遍认为密封中流体激振力是由于转子在动密封间隙中偏置，间隙周向存在不均匀压力分布所引起。流体在间隙中高速旋转，使得周向压力分布的变化与转子和密封之间的间隙变化不一致，这样，流体作用在转子上的力可分解成一个与偏置方向相垂直的切向力，该力将激励转子产生涡动。当激励力达到或超过一定值且主频率与转子的某阶固有频率相近时，特别是与转子的一阶固有频率接近时，就会使转子产生剧烈的振动。目前所了解到的造成密封间隙中压力沿周向分布不均匀的主要原因有: Lo-makin效应、Alford效应、螺旋形流动效应、流体三维流动效应、流体二次流效应等。
    通过分析，引起离心泵转子部件的振动的原因有许多，目前学者对于离心泵的振动分析大多数是从流固耦合，汽蚀等流体力学的角度上进行，但仅从流体力学的角度分析是不够的，结论是不够准确的，离心泵在运行中碰摩现象是存在的，因此应该考虑碰摩耦合对离心泵转子振动的影响，也就是说将流固耦合，汽蚀和碰摩耦合理论结合起来来分析离泵行中的抱轴现。
    二、研究方向与展望
    其一，用先进的LDV，PU，PDV等测试技术对离心泵内部流动进行测试和分析，揭示其内部流动的规律，分析其流动状态的不同对离心泵转子振动的影响；其二，试验数据为依据，针对离心泵的结构对其转子振动特性的影响，考虑离心泵内的流动损失等原因，对离心泵的结构设计进行改造；其三，结合已有的分析转子振动系统的理论，根据试验所得的数据，考虑水泵转子特有的特性提出符合离心泵转子振动的分析理论；其四，综合现有转子振动系统的特性，考虑各个故障的固有特点提出相应的区分办法，从而预先估计、分析其可能出现的故障以及故障对离心泵运行的影响程度。将解决各个独立故障的的方法结合起来，分析离心泵运行中出现的故障，比如分析离心泵的抱轴现象时，可将流固耦合、汽蚀和碰摩耦合理论结合起来考虑，由于离心泵的运行涉及到多学科的知识，因此运行中出现的故障，应该考虑多学科的知识内容。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_153979a1a0102w7pb.html