Анализ прочности ротора и критической скорости вертикального пожарного насоса с длинным валом, соединенного с валами различной длины

Jun 24, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 9351 (2022) Цитировать эту статью

1709 Доступов

1 Цитаты

Подробности о метриках

Вертикальный пожарный насос с длинным валом (VLSFP) в основном используется в местах пожаротушения, удаленных от земли и не имеющих большого количества воды. В качестве объекта исследования в статье выбрана модель VLSFP XBC18-178-240LC3. Сначала были проведены экспериментально-численные гидравлические характеристики одиночного VLSFP, а затем гидравлические характеристики мульти-VLSFP были проанализированы тем же методом численного моделирования, что и одиночный VLSFP. После этого с помощью программного обеспечения моделирования были спроектированы три модели ротора (модель Z4, модель Z5-оригинальная модель и модель Z6), соединенные разной длиной и количеством секций вала при одинаковой общей длине промежуточных валов. Наконец, прочность и критическая скорость ротора трех моделей были проанализированы и проверены с помощью CFD-моделирования и программного обеспечения Workbench. Исследование в основном показало: (1) в результате проверки прочности рабочего колеса максимальное эквивалентное напряжение трех моделей было меньше, чем допустимое напряжение материала ротора, что указывает на то, что их структурная конструкция соответствует требованиям безопасности; (2) Благодаря проверке критической скорости ротора вала рабочая скорость VLSFP была ниже критической скорости первого порядка трех моделей более чем в 0,8 раза, что указывало на то, что ротор может избежать резонанса и структуры трех моделей. отвечал требованиям динамического дизайна. В соответствии с проверкой рабочего колеса под нагрузкой и проверкой критической скорости ротора вала, с учетом затрат времени и труда, когда VLSFP многократно устанавливался и разбирался до и после испытаний или эксплуатации, в статье была выбрана модель Z4 в качестве модели. оптимальная модель, которая могла бы обеспечить теоретическую поддержку для последующей оптимизации конструкции вертикального пожарного насоса с длинным валом.

Вертикальный пожарный насос с длинным валом (VLSFP), в основном используемый в местах пожаротушения вдали от суши и с отсутствием большого количества воды, например, на морских платформах и причалах, работает, используя морскую воду в качестве источника воды для тушения пожара. Его преимущества заключаются в небольшой занимаемой площади, большом расходе, высоком подъеме и быстром запуске. По сравнению с традиционными насосами вал VLSFP необычайно длинный и состоит из множества секций вала. Кроме того, длину приводного вала можно регулировать в зависимости от уровня моря. Когда уровень моря ниже места установки насосной системы, VLSFP может переворачивать воду, чтобы избежать таких проблем, как отвод воды и кавитация, вызванная более высокой высотой всасывания. Поскольку это большая вертикально вращающаяся машина, стабильность ее роторной системы является ключом к безопасности насосной системы. Если рабочая скорость насоса пересекает или приближается к критической скорости, роторная система будет вибрировать1,2.

Методы анализа динамики ротора в основном основаны на методе передаточной матрицы и методе конечных элементов. Метод матрицы переноса был предложен Пролом3, а затем усовершенствован Хорнером и Пилки4. С тех пор по этому вопросу были проведены обширные исследования5,6,7,8. Однако из-за чрезмерного упрощения ротора методом матрицы передачи трудно обеспечить вычислительную точность модели. Для сравнения, метод конечных элементов может обрабатывать сложную модель и расчет9,10. Поэтому метод конечных элементов стал предпочтительным методом анализа динамики ротора. Кроме того, в реальных проектах лопатки вращающихся машин склонны к образованию трещин при длительной эксплуатации. На усталостные разрушения лопаток влияют многие факторы, включая материал, структуру, технологию обработки, температуру, давление, внешние удары и т. д.11,12,13,14,15.

В динамике ротора модальный анализ и критическая скорость также находятся в центре внимания исследований. Чивенс и Нельсон16, Хейдари и Хоррам17, а также Ше и др.18,19 изучали влияние гибкости диска на критическую скорость и собственную частоту вращающейся системы вал-диск. Таплак и Парлак20 построили модель ротора газовой турбины и использовали программу Dynrot для получения диаграммы Кэмпбелла и критической скорости вращающихся систем для исследования динамического поведения роторов. Кастильо и др.21 подтвердили, что испытание на удар является полезным методом определения модальных параметров погружного электрического насоса. Минетт и др.22 исследовали динамическое поведение погружного электрического насоса в рабочих условиях, установленного в испытательной скважине, путем определения его собственной частоты и параметров демпфирования с использованием метода комплексной экспоненты наименьших квадратов. Хуанг и др.23 изучили метод моделирования режимов лопасти ротора турбомолекулярного насоса, предложив упрощенный метод модифицированной модели лопасти, основанный на основном принципе инвариантности массы и момента инерции до и после упрощения.