離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析

閻奕辰，張鴻文，王文鑫，孫建路，王 圣

(中海石油(中國(guó))有限公司秦皇島32-6/渤中作業(yè)公司，天津 300450)

離心泵是一類通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)生成的離心力來(lái)完成流體輸送的機(jī)械裝置。離心泵在石油化工行業(yè)中得到了十分廣泛的應(yīng)用。由于石化行業(yè)生產(chǎn)對(duì)于過(guò)程連續(xù)性具有極高的要求，且生產(chǎn)過(guò)程中的流體總量與壓力較大，部分流體具有一定的黏性與腐蝕性，若離心泵出現(xiàn)異常故障，可能會(huì)引發(fā)一系列的連鎖效應(yīng)，造成嚴(yán)重的后果，因此需要重點(diǎn)保證離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與可靠性。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，若振動(dòng)過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重影響其性能與安全性。通過(guò)分析離心泵的結(jié)構(gòu)與工作原理發(fā)現(xiàn)引起振動(dòng)的主要原因是由于其內(nèi)部轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與其自然頻率相近時(shí)，會(huì)因共振而加劇振動(dòng)幅度，嚴(yán)重的，可能會(huì)造成離心泵轉(zhuǎn)子失效。由此可見(jiàn)，探究離心泵轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)規(guī)律與影響離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的因素，進(jìn)而采取針對(duì)性的優(yōu)化措施降低離心泵轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，對(duì)于提高離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)其使用壽命，進(jìn)而保障我國(guó)石油化工行業(yè)的發(fā)展具有重要的價(jià)值。

1 離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性概述

通過(guò)查閱有關(guān)學(xué)者對(duì)離心泵結(jié)構(gòu)、工作原理，以及運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)規(guī)律的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，目前可以通過(guò)理論分析與計(jì)算、試驗(yàn)檢測(cè)，以及計(jì)算機(jī)仿真分析等方法來(lái)完成離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的分析，特別是，近年來(lái)FEA仿真分析的發(fā)展與應(yīng)用，更是有效提高了離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析的可操作性與可靠性[1]。通過(guò)導(dǎo)入離心泵結(jié)構(gòu)模型與運(yùn)行參數(shù)，可以模擬其真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景，建立轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的振動(dòng)分析模型與離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析模型，從而解決傳統(tǒng)理論分析與計(jì)算中存在的效率低下、結(jié)果可靠性不足，以及方程漏根等問(wèn)題，從而大大提高了離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。在石化工程實(shí)踐中，常使用ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的FEA分析。采用模態(tài)分析的方式可以掌握離心泵轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)規(guī)律，從而能夠?yàn)殡x心泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、轉(zhuǎn)子的安裝與維護(hù)等提供參考。

2 離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析的預(yù)處理

2.1 構(gòu)建轉(zhuǎn)子三維模型

假定以石油化工行業(yè)中常用的A型離心泵為研究對(duì)象，以該離心泵的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，使用Solid works軟件創(chuàng)建該A型離心泵轉(zhuǎn)子3D模型，得到的效果圖如圖1所示。

圖1 離心泵轉(zhuǎn)子3D模型

需要說(shuō)明的是，由于離心泵轉(zhuǎn)子外形相對(duì)復(fù)雜，直接使用Solid works軟件建模，可能會(huì)在一定程度上影響FEA分析的準(zhǔn)確性，還會(huì)延長(zhǎng)FEA分析的時(shí)間，因此可以對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保留其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)信息，剔除倒角與圓弧過(guò)度等對(duì)FEA分析結(jié)果影響較小的工藝結(jié)構(gòu)。

2.2 定義材質(zhì)與劃分網(wǎng)格線

創(chuàng)建離心泵轉(zhuǎn)子的3D模型后，導(dǎo)出ANSYS FEA仿真模擬軟件，可以直接識(shí)別屬性為.igs的文件。解析完成后檢查是否存在不合理的地方，檢查無(wú)異常情況后可以定義轉(zhuǎn)子的材料屬性。假如定義使用HT200作為離心泵轉(zhuǎn)子葉片的材料，可知彈性模量是 1.22×105MPa，泊松比是0.25，密度是 7.8×103kg/m3。離心泵轉(zhuǎn)子多采用45號(hào)鋼，泊松比是0.3，密度是 7.8×103kg/m3，彈性模量是 2.1×105MPa。

材質(zhì)屬性定義完成后,應(yīng)確定劃分網(wǎng)格的方法。使用自由網(wǎng)格劃分法，可以有效降低FEA軟件仿真過(guò)程中出現(xiàn)技術(shù)性失誤的可能性，因此采用該方法劃分網(wǎng)格，可以得到較好的效果。使用自由劃分法對(duì)離心泵轉(zhuǎn)子的3D模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格后，得到圖2所示的效果圖。

圖2 轉(zhuǎn)子3D模型網(wǎng)格劃分效果圖

2.3 引入約束條件

為了準(zhǔn)確掌握不同轉(zhuǎn)速條件下離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性情況，需要在進(jìn)行FEA仿真分析時(shí)合理地引入一些約束條件。其中，離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子的約束條件主要為模態(tài)分析自由度與支承處的剛度阻尼[2]。為了方便計(jì)算與分析，將剛度阻尼簡(jiǎn)化為剛度與彈性阻尼兩項(xiàng)參數(shù)。在上述材質(zhì)與離心泵類型條件下，轉(zhuǎn)子支承處的剛度值是 1.05×107N/m，彈性阻尼是 2.0×103N·s/m。進(jìn)行轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，啟動(dòng)FEA的Connections后新增剛度值與彈性阻尼值兩項(xiàng)參數(shù)，Ground to solid約束的類型選擇Beam。定義約束條件后，按照先后順序?qū)㈦x心泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為 3000 r/min、3500 r/min 、 4000 r/min，然后進(jìn)行該三階轉(zhuǎn)速條件下的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性仿真分析。

3 離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性仿真結(jié)果分析

3.1 離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)振型分析

離心泵轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性FEA仿真預(yù)處理完成后，打開(kāi)ANSYS軟件的求解器功能，實(shí)施對(duì)離心泵轉(zhuǎn)子的模態(tài)解析。模態(tài)解析結(jié)束后分別導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的一階、二階、三階模態(tài)振型，得到如圖3所示的振型云圖。

由圖3看出，在一階振型中，轉(zhuǎn)子會(huì)朝著弓形的趨勢(shì)變形，最大形變位置位于轉(zhuǎn)子的葉輪位置，變形量為 8.13 mm；最小變形位置位于轉(zhuǎn)子軸末端處，變形量為 2.67 mm。二階振型云圖中，轉(zhuǎn)子具有一定程度朝S形變化的趨勢(shì)，變形最大的位置位于轉(zhuǎn)子葉輪處，變形量為 11.22 mm；變形最小的位置位于轉(zhuǎn)子軸端處，變形量為 0.05 mm。三階陣型云圖中，變形趨勢(shì)與一階振型相似，但變形量相對(duì)較大，變形最明顯的位置位于轉(zhuǎn)子葉輪處，變形量為 28.56 mm；變形最小的位置位于轉(zhuǎn)子軸端處，變形量為 0.04 mm。

(a)一階振型云圖

(c) 三階振型云圖

3.2 支承剛度對(duì)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的影響分析

影響離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的因素主要有轉(zhuǎn)子支承剛度、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐位置，以及轉(zhuǎn)子的位置等。就某一離心泵而言，其轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、在離心泵中所處的位置，以及轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)的位置都是固定不變的，因此在現(xiàn)實(shí)中僅可通過(guò)改變離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐剛度來(lái)優(yōu)化離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[3]。

打開(kāi)ANSYS FEA模擬仿真軟件中的模態(tài)分析單元，再次定義離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承部件的Ground to solid剛度。初始條件下，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承部件剛度是 1.05×107N/m，然后依次將其調(diào)整為 1.05×105N/m、1.05×106N/m、1.05×108N/m、1.05×109N/m ，并在這幾種支承剛度條件下實(shí)施模態(tài)分析，導(dǎo)出轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一階振型、二階振型，以及三階振型的最大位移分別為S1、S2和S3，得到不同支承剛度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子振型位移。如表1所示。

表1 不同支承剛度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子振型的最大位移

分析表1中的數(shù)據(jù)知道，當(dāng)轉(zhuǎn)子支承部件的剛度變大時(shí)，一階、二階以及三階振型中的最大位移值顯著降低，轉(zhuǎn)子支承部件的剛度從 1.05×107N/m 增大到 1.05×108N/m 時(shí)，一階振型中轉(zhuǎn)子最大位移減少了 8.27 mm，二階振型中最大位移減少了 9.77 mm，三階振型中最大位移減少了 42.38 mm。

通過(guò)以上仿真分析發(fā)現(xiàn)，若離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生共振現(xiàn)象，會(huì)造成十分明顯的變形，且變形量會(huì)隨著振型階數(shù)的增大而增大；離心泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)支承部件的剛度越大，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)越弱，離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性也就越好。

4 結(jié)論

離心泵作為重要的流體輸運(yùn)設(shè)備，隨著石化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了廣泛的應(yīng)用。離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題，會(huì)嚴(yán)重影響其工作性能、安全性以及使用壽命。本文通過(guò)FEA分析，探究了離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)子振型與振動(dòng)影響的模擬仿真和轉(zhuǎn)子支承剛度對(duì)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性影響的模擬仿真，發(fā)現(xiàn)不同振型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子振動(dòng)趨勢(shì)存在一定的差異；支撐離心泵轉(zhuǎn)子的構(gòu)件剛度越好，則離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)情況越好，離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性也越好。因此，可以通過(guò)提高離心泵轉(zhuǎn)子支撐部件剛度的方式來(lái)優(yōu)化離心泵的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，進(jìn)而保障石油化工生產(chǎn)的可靠性。