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炼油装置在石油化工生产中处于重要地位,在炼油装置中减压塔底泵是最容易出现故障的关键设备之一。本课题属国家科技支撑计划项目《工业电机及典型泵阀节能关键技术研究》中的课题,减压塔底泵是该课题的主要研究内容之一。因此,对减压塔底泵进行转子系统的动力学特性研究,以确保产品稳定、可靠、安全运行,对石化生产具有重要意义。
本文研究的减压塔底泵采用两级结构、首级为双吸双蜗壳、次级为单吸单蜗壳。其中,转子系统是关系到机组能否平稳运行的关键。为了研究减压塔底泵转子系统的动力学特性,需要对减压塔底泵的首级和次级流场进行流场数值模拟,以便把模拟所得到的轴向力和径向力加载到转子系统中。
减压塔底泵转子系统的动力学特性研究,主要内容包括转子系统静力分析、振动频谱、固有频率、模态振型、不平衡响应以及激励力瞬态响应等。本文对减压塔底泵的研究具体内容如下:
(1)根据减压塔底泵技术参数,设计出塔底泵总体结构图、各部件二维图、以及首级、次级叶轮和蜗壳的水力图。
(2)应用Pro/Engineer软件对减压塔底泵转子系统进行实体建模,并得出转子系统各旋转部件的质量、惯性量等质量属性;采用GAMBIT对减压塔底泵首级、次级模型划分网格,基于FLUENT软件对泵进行全流场和非全流场的模拟,得出轴向力和径向力变化与流量的关系,以及全流场和非全流场之间对内部流场模拟所得数值的差异。
(3)基于FLUENT软件对泵首级叶轮流场和次级叶轮流场进行全流场模拟,得出叶片的工作面和吸力面的静压分布,以及中间截面、轴截面的静压分布,研究了口环处和平衡孔附近的压力分布情况。
(4)基于质量集总参数法,对减压塔底泵转子系统进行分析,得出各质量点的刚度,计算出转子系统的第一阶临界转速;并通过MATLAB软件对各质量点进行振动仿真,得出各质量点的振动位移和振动速度图。
(5)采用ANSYS软件对减压塔底泵转子系统进行模型建立、模态分析,得出坎贝尔图、前四阶的振型、固有频率,并对模态结果进行分析;并得出转子系统处于安全工作区运行。
(6)采用ANSYS软件对减压塔底泵转子系统进行静力学分析,得出变形图谱以及各节点的位移;对转子系统不平衡量进行动力学谐响应分析,得出左右侧轴承和两级叶轮节点的响应频谱图;对减压塔底泵转子系统进行激励力瞬态分析,研究转子系统对激励力的响应。
(7)减压塔底泵转子系统的动力学试验,提出了转子试验台的基本构成、转子系统测定的基本方法和注意事项。