劉厚林，白 羽，董 亮，劉明明，肖佳偉

(江蘇大學流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

冶金行業(yè)是關(guān)系國計民生的重要行業(yè).冶金用熱水循環(huán)泵是高爐密閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的核心設備，是冶金企業(yè)必不可少的關(guān)鍵生產(chǎn)設備之一.其實際運行環(huán)境為高溫高壓，為防止故障的發(fā)生通常配有備用泵，其振動特性關(guān)系到整個冶金工藝流程的可靠性及安全穩(wěn)定運行.因此，對冶金用熱水循環(huán)泵進行模態(tài)分析具有重要的意義.

模態(tài)分析通過計算結(jié)構(gòu)振動特性來幫助設計人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，從而使結(jié)構(gòu)設計避免共振.隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外越來越多的學者將模態(tài)分析應用到流體機械領域.Yuan S.Q.等［1］基于流固耦合技術(shù)對螺旋離心泵的葉輪進行了靜力與模態(tài)分析.Liang X.［2］基于模態(tài)分析對一臺泵的轉(zhuǎn)子進行了故障診斷.E.Egusquiza等［3］對一臺水泵水輪機轉(zhuǎn)輪模型進行了模態(tài)研究.R.Podugu等［4］通過模態(tài)分析對一臺離心泵整機進行了振動研究.江親瑜等［5］應用ANSYS軟件對高壓低噪小流量離心泵泵體進行了模態(tài)分析.張雙全等［6］基于流固耦合技術(shù)，對混流泵轉(zhuǎn)輪進行了靜強度計算和模態(tài)分析.曹衛(wèi)東等［7］對礦用潛水電泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了模態(tài)分析，并根據(jù)振型特點對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計.劉厚林等［8］對核電用余熱排出泵轉(zhuǎn)子無預應力下的模態(tài)以及流固耦合力和離心力作用下的模態(tài)進行了對比分析.叢小青等［9］采用順序耦合技術(shù)分析了誘導輪的靜態(tài)應力和振型，研究了葉片強對誘導輪振動特性的影響.此外，國內(nèi)還有眾多學者針對不同類型的泵類產(chǎn)品進行了模態(tài)分析［10-17］.

但是，到目前為止還尚未發(fā)現(xiàn)在高溫高壓情況下，對冶金用熱水循環(huán)泵進行模態(tài)分析的研究.文中以冶金用熱水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件為研究對象，首先對無預應力模態(tài)進行計算，分析溫度不同導致的材料性質(zhì)變化對2部件模態(tài)性能的影響;然后，以泵外特性試驗為基礎，基于流固耦合技術(shù)，對常溫常壓與高溫高壓2種環(huán)境下的有預應力模態(tài)進行計算，對比不同環(huán)境下轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的各階固有頻率及振幅，分析預應力對模態(tài)性能的影響;最后，對轉(zhuǎn)子的剛度進行校核，給出熱水循環(huán)泵在高溫高壓(實際工作環(huán)境)情況下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的前6階振型，為熱水循環(huán)泵的安全運行提供參考.

1 研究模型

本研究模型是一臺比轉(zhuǎn)數(shù)為101的冶金用熱水循環(huán)泵.設計參數(shù)如下:流量Qd=380 m3·h-1，揚程H=45 m，轉(zhuǎn)速n=1 480 r·min-1，工作水溫T=207℃，進口壓力P=2.5 MPa.其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該泵是一臺單級單吸臥式離心泵，閉式葉輪，6枚葉片，后蓋板設有平衡孔，泵體為雙蝸殼結(jié)構(gòu)，中心支撐，懸架設計有冷卻系統(tǒng).

圖1 冶金用熱水循環(huán)泵結(jié)構(gòu)圖

文中重點研究該泵的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件，轉(zhuǎn)動部件包括葉輪、葉輪螺母、泵軸及鍵，靜止部件包括泵體、泵蓋、懸架及泵腳.運用ANSYS 12.1 Workbench的Mesh模塊，對泵轉(zhuǎn)動部件與靜止部件進行網(wǎng)格劃分，轉(zhuǎn)動部件的網(wǎng)格單元數(shù)為1 303 742，靜止部件的網(wǎng)格單元數(shù)為2 218 633.各零件的材料如下:泵體、泵蓋為ZG25，葉輪為QT400-18，泵軸、葉輪螺母為45鋼，鍵為35鋼，泵腳為HT250，懸架為HT200.由參考文獻［18］可查得各材料的性能數(shù)據(jù).

2 無預應力模態(tài)分析

采用ANSYS 12.1 Workbench的Modal模塊對熱水循環(huán)泵進行模態(tài)計算.

在兩泵腳與懸架的底面施加固定約束，泵軸上裝配軸承的2個圓柱面施加圓柱約束.無預應力下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的前6階固有頻率和振幅見表1和2.從表1可以看出，轉(zhuǎn)子部件的前2階固有頻率非常接近，第5階模態(tài)的振幅最大.從表2可以看出，靜止部件的第5階與第6階固有頻率接近，第4階模態(tài)的振幅最大.

表1 無預應力下轉(zhuǎn)動部件模態(tài)信息

表2 無預應力下靜止部件模態(tài)信息

3 有預應力模態(tài)分析

3.1 載荷條件

對冶金用熱水循環(huán)泵進行有預應力模態(tài)分析，2部件的約束條件與之前相同，在此基礎上還要加載水力載荷、重力載荷，轉(zhuǎn)動部件還需加載離心力載荷與扭矩載荷，高溫高壓條件下還需加載熱載荷.水力載荷的加載用到流固耦合技術(shù).應用ANSYS CFX 12.1軟件，對設計工況的冶金用熱水循環(huán)泵內(nèi)部全流場［19］進行定常數(shù)值計算.

常溫常壓條件時，采用壓力進口與流量出口，設定進口靜壓為0，出口流量105.239 kg·s-1，進口湍流密度選擇Medium(湍流密度為5%)，固體壁面取無滑移光滑邊界條件，近壁處采用Scalable壁面函數(shù)，動靜交界面采用Frozen Rotor格式，網(wǎng)格關(guān)聯(lián)采用GGI方式，收斂精度為10-5.揚程的計算值為51.97 m，與試驗值50.84 m相比，相對誤差為2.22%，滿足工程實際的要求，說明所采用的數(shù)值方法準確可靠.

高溫高壓條件下，工質(zhì)水從泵進口運動到出口過程中溫度不變，故不涉及傳熱.所以，高溫高壓條件下流場的模擬只需考慮水物理性質(zhì)的改變［20］.根據(jù)參考文獻［21］，可查得清水在25℃(常溫)和207℃(高溫)時的性質(zhì).高溫高壓條件設定進口靜壓為2.5 MPa，出口流量90.341 kg·s-1，其他邊界條件與常溫常壓下的相同.然后，采用ANSYS 12.1 Workbench的FSI單向流固耦合模塊，進行流固耦合設置，本研究模型共設置11組流固耦合面.

采用ANSYS 12.1 Workbench的Steady-State Thermal(ANSYS)模塊，對熱水循環(huán)泵在高溫高壓下工作時的靜止部件與轉(zhuǎn)動部件進行穩(wěn)態(tài)熱力學計算.根據(jù)實際情況，所有與工作介質(zhì)接觸的壁面施加207℃的溫度載荷，懸架上冷卻水流經(jīng)的壁面施加30℃的溫度載荷，泵軸軸承段表面施加40℃的溫度載荷，兩泵腳底面施加25℃的溫度載荷.靜止部件與空氣接觸的表面設置成對流傳熱面，根據(jù)文獻［22］，對流換熱系數(shù)設置為30 W·(m2·℃)-1，周圍環(huán)境溫度為25℃.

3.2 模態(tài)分析

有預應力下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的前6階固有頻率和振幅見表3和4.從表3可以看出，轉(zhuǎn)子部件的前2階固有頻率非常接近，第5階模態(tài)的振幅最大.從表4可以看出，靜止部件的第5階與第6階固有頻率接近，第4階模態(tài)的振幅最大.

表3 有預應力下轉(zhuǎn)動部件模態(tài)信息

表4 有預應力下靜止部件模態(tài)信息

不同條件下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的前6階固有頻率如圖2，3所示.可以看出，高溫下2部件的各階固有頻率均小于常溫下的固有頻率;常溫常壓與常溫無預應力相比，轉(zhuǎn)動部件固有頻率最大變化為0.24%，靜止部件固有頻率最大變化為0.01%;高溫高壓與高溫無預應力相比，轉(zhuǎn)動部件固有頻率最大變化為0.86%，靜止部件固有頻率最大變化為0.08%.可見，零件結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)是決定其各階固有頻率的主要因素，而預應力對2部件各階固有頻率的影響非常小.

圖2 轉(zhuǎn)動部件前6階固有頻率

圖3 靜止部件前6階固有頻率

不同條件下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件各階模態(tài)的振幅幾乎沒有變化.2部件前6階模態(tài)下的振幅如圖4所示.

圖4 轉(zhuǎn)動部件與靜止部件前6階振幅

從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)動部件各階模態(tài)下的振幅均高于靜止部件的.零件結(jié)構(gòu)形狀是影響了其各階模態(tài)振幅的主要因素，而材料性質(zhì)和預應力對振幅幾乎沒有影響.

3.3 臨界轉(zhuǎn)速分析

轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速在數(shù)值上等于1階固有頻率時的轉(zhuǎn)速.轉(zhuǎn)子如果在臨界轉(zhuǎn)速附近運行，會出現(xiàn)劇烈的振動，長時間運行甚至會折斷裝在軸上的葉輪及其他部件共同構(gòu)成的轉(zhuǎn)子［23］.臨界轉(zhuǎn)速與固有頻率的關(guān)系為

式中:n為臨界轉(zhuǎn)速;f為固有頻率.熱水循環(huán)泵轉(zhuǎn)子的1階固有頻率為90.85 Hz，對應的1階臨界轉(zhuǎn)速為

文獻［24］指出泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)工程設計的穩(wěn)定性經(jīng)驗公式為

其中nc1為第1階臨界轉(zhuǎn)速.該熱水循環(huán)泵的額定轉(zhuǎn)速為 1 480 r·min-1，則

因此從臨界轉(zhuǎn)速方面可以認為該熱水循環(huán)泵轉(zhuǎn)子是一個穩(wěn)定的剛性系統(tǒng).

3.4 振型分析

轉(zhuǎn)動部件的前6階振型如圖5所示，第1階與第2階振型為轉(zhuǎn)子葉輪側(cè)的擺動變形，擺動方向接近垂直;第3階與第4階振型為轉(zhuǎn)子葉輪側(cè)的彎曲變形;第6階振型為轉(zhuǎn)子的扭轉(zhuǎn)變形;第6階振型為葉輪沿軸向的錯動變形.靜止部件的前6階振型如圖6所示，第1階振型為水平面內(nèi)的擺動變形;第2階振型為豎直面內(nèi)的擺動變形;第3階振型為沿軸向的錯動變形;第4階、第5階、第6階振型依次3個坐標方向的扭轉(zhuǎn)變形.

圖5 轉(zhuǎn)動部件前6階振型

圖6 靜止部件前6階振型

4 結(jié)論

1)高溫條件下，冶金用熱水循環(huán)泵各零件材料的性能發(fā)生了變化，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的各階固有頻率均小于常溫下的固有頻率;有預應力模態(tài)與無預應力模態(tài)相比，2部件固有頻率最多相差0.86%.零件結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)是決定其各階固有頻率的主要因素，而預應力對各階固有頻率的影響很小.

2)不同條件下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件各階模態(tài)的振幅幾乎沒有變化.轉(zhuǎn)動部件各階模態(tài)下的振幅均高于靜止部件的.零件結(jié)構(gòu)形狀決定了其各階模態(tài)下的振幅，而材料性質(zhì)和預應力對振幅幾乎沒有影響.

3)該熱水循環(huán)泵轉(zhuǎn)子的1階臨界轉(zhuǎn)速為5 451 r·min-1，其額定轉(zhuǎn)速為 1 480 r·min-1，小于臨界轉(zhuǎn)速的0.8倍，認為其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是一個穩(wěn)定的剛性系統(tǒng).

4)不同條件下，轉(zhuǎn)動部件與靜止部件的各階振型是一致的.轉(zhuǎn)動部件的前6階振型依次為擺動變形、擺動變形、彎曲變形、彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形、錯動變形;靜止部件的前6階振型依次為擺動變形、擺動變形、錯動變形、扭轉(zhuǎn)變形、扭轉(zhuǎn)變形、扭轉(zhuǎn)變形.

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