基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，提供影响多级泵转子系统中密封间隙流的主要参数，包括水力径向力FH，轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2，转子系统空转时固有频率与转速频率比值fn/fr，转子径向位移与设计间隙比值z/h，轴端直径与叶轮直径比值系数d，主刚度系数增量K*，交叉刚度系数增量k*，主阻尼系数增量C*，交叉阻尼系数增量c*，质量系数增量m*，密封间隙各段主刚度系数K，密封间隙各段交叉刚度系数k，密封间隙各段主阻尼系数C，密封间隙各段交叉阻尼系数c，入口损失系数ξ等。采用本发明专利技术不仅能够大大提高了多级泵转子系统的稳定与安全，而且还有助于计算机编程和计算机辅助计算。

【技术实现步骤摘要】
基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法
本专利技术属于转子动力学领域，特别涉及一种基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法。
技术介绍
多级离心泵作为流体输送的关键设备，不仅广泛应用在石油、化工、水利、灌溉等工农业领域，而且也是核电、航空、舰船和潜艇等高
的关键设备，其系统复杂，自动化程度高，一旦发生设备故障停机，会给安全生产带来严重威胁。多级离心泵目前正向高速化、大型化和大功率化的方向发展，越来越多的多级离心泵需要在高温高压等恶劣工况下运转，因此多级离心泵的可靠性问题日益突出，越发受到人们的重视。在多级离心泵中，为了实现平衡压力和密封的要求，大量存在如密封口环、级间密封以及平衡鼓等环形间隙流道，而存在的这些间隙一方面会造成泄漏，从而降低泵的效率，另一方面会对离心泵的振动性能造成影响。在间隙密封中，当两端存在压差时，偏心的转子会受到一个很大的回复力的作用，而这又相当于增加了轴的刚度。由此在多级泵运行安全的角度很难忽视小间隙流对离心泵的影响。转子系统均为细长轴多转子系统，在这一系统中，对转子系统特性起决定性作用的不再是转轮(叶轮)本身的固有特性，而是包括主轴在内整个系统的耦合。叶轮内部流体的存在会在一定程度上降低叶轮本身的固有频率，但对整个转子系统振动特性则基本不会造成影响。在现有技术下，多级离心泵转子系统动力学的研究还没有形成一整套的理论，只是针对转子系统中的某一点进行研究，得出的研究结果并不一定能适用于整个转子系统，并且也没有明确的计算方法来解决间隙流对转子动力学的影响，只是一般理论上的分析。因此有必要对间隙流对转子动力学影响的计算方法作进一步完善。专利号为201110231746.X专利技术专利“可主动调节变速工作转子临界转速的转子系统”提到了一种可主动调节变速工作转子临界转速的转子系统。此专利通过在传统转子系统上设置辅助支承系统，实时调整辅助支承系统的支承刚度，从而改变系统支承结构和支承刚度，并改变系统临界转速，使旋转机械在工作区稳定运转的可主动调节变速工作转子临界转速的转子系统。专利号为200810107343.2专利技术专利“离心泵临界转速的试验方法及其试验装置”提到了一种离心泵临界转速的试验方法及其试验装置。此专利技术可直接通过观测离心泵的转速来测定其干、湿临界转速，既方便又准确，以确保泵运行的安全可靠性。专利号为201310648017.3专利技术专利“一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法”提供一种多级离心泵湿转子临界转速的确定方法，所述方法主要利用节点自动划分模块、模型创建模块和模型计算模块来进行临界转速的确定，所述各模块之间进行数据处理顺序依次为节点自动划分模块、模型创建模块和模型计算模块。专利号为200820137897.2技术专利“离心泵临界转速试验装置”提供了一种离心泵临界转速试验装置，此技术专利可以直接通过观测试验离心泵的转速来测定试验离心泵的干、湿临界转速，既方便又准确，以确保泵运行的安全可靠性。但是以上所述的三个专利技术专利和一种技术专利都没有涉及明确的关于转子动力学的计算方法，或者只是一种操作方法，或者一种试验装置，而不是准确的设计方法。鉴于以上原因，本专利技术人提出一种全新的明确的设计方法，完善了设计所需参数的公式。最为重要的是，本专利技术能够确保多级泵中转子系统这一重要的转动部件持续安全稳定高效地工作，不会因间隙流的影响而造成失稳。专利技术目的多级泵中为实现平衡压力及密封的作用，大量存在如密封口环、级间密封及平衡鼓等环形间隙流道。而这些环形间隙流道对多级泵的的振动性能造成影响，并且影响多级泵运行的安全性与稳定性。如何实现多级泵在保证运行安全稳定的同时，更好的利用环形密封中间隙流所产生的刚度对转子系统起支撑作用，已经成为当前多级泵转子系统发展的紧迫问题。目前，现有的转子动力学的分析方法并不完备，即使是个别间隙流对转子动力学的研究方法也不无可改进之处。本专利技术的目的在于，为间隙流对转子动力学的影响提供一种科学的、系统的、更完善的研究计算方法，改善多级泵转子系统运动的规律，提高多级泵转子运行的稳定性和使用寿命。还有助于计算机编程应用和计算机辅助计算，能很大程度上取代多级泵转子系统中密封间隙流对转子运动影响的主要参数的原来经验设计法，而且计算更加精确，使理论设计与实际模型更符合。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术给出了多级泵间隙流所产生的刚度系数和阻尼系数的计算方法，考虑了静态和动态情况转子系统的运行，改善了转子系统的研究手段，尤其对静态和动态转子计算方法做了独创性设计，以保证多级泵转子系统工作的可靠性和稳定性。实现上述目的所采用的技术方案是：(1)轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2式中：DK-轴端直径，米；D2-叶轮直径，米；Htot-多级泵总扬程，米；ns-比转数；η-水力效率；n-叶轮转速，转/分；i-叶轮级数；d-轴端直径与叶轮直径比值系数；(2)轴端直径与叶轮直径比值系数d式中：ns-比转数；Q-叶轮流量，米3/秒；n-叶轮转速，转/分；(3)径向间隙比系数式中：-径向间隙比系数；M-轴承跨度中心质量，千克；ρR-转子材料密度，千克/米3；D2-叶轮直径，米；(4)转子径向位移与密封流道单边设计间隙比值z/h式中：z-转子径向位移，米；h-密封流道单边设计间隙，米；-径向间隙比系数；g-重力加速度，米/秒2；cs-转子材料中的声速，米/秒；L-轴承跨度长度，米；D2-叶轮直径，米；Dw-转子轴直径，米；c-密封间隙各段交叉阻尼系数；(5)固有频率与转速频率比值fn/fr式中：fn-固有频率；fr-转速频率；-径向间隙比系数；n-叶轮转速，转/分；cs-转子材料中的声速，米/秒；L-轴承跨度长度，米；D2-叶轮直径，米；Dw-转子轴直径，米；(6)水力径向力FH式中：FH-水力径向力，牛；ψ-扬程系数；ns-比转数；Q-叶轮流量，米3/秒；D2-叶轮直径，米；n-叶轮转速，转/分；i-叶轮级数；(7)当考虑转速n对入口损失系数ξ的影响时，入口损失系数ξξ＝-1.0606ln(n)+9.3797(7)式中：ξ-入口损失系数；n-叶轮转速，转/分；(8)当考虑密封流道单边设计间隙h对入口损失系数ξ的影响时，入口损失系数ξξ＝182.39h3-211.94h2+83.329h-10.216(8)式中：ξ-入口损失系数；h-密封流道单边设计间隙，米；(9)密封间隙各段主刚度系数KK＝0.0967(h/DW)-1.12(9)式中：K-密封间隙各段主刚度系数；h-密封流道单边设计间隙，米；Dw-转子轴直径，米；(10)密封间隙各段交叉刚度系数kk＝7.5589e(-0.1818ξ)(10)式中：k-密封间隙各段交叉刚度系数；ξ-入口损失系数；(11)密封间隙各段交叉阻尼系数cc＝75.29(L0/DW)2.5553(11)式中：c-密封间隙各段交叉阻尼系数；L0-单级环形密封长度，米；Dw-转子轴直径，米；(12)密封间隙各段主阻尼系数CC＝4591.3e(-0.1647ξ)(12)式中：C-密封间隙各段主阻尼系数；ξ-入口损失系数；当考虑密封流道参数对密封间隙各段刚度系数、密封间隙各段阻尼系数和密封间隙各段质量系数的影响时，(13)主刚度系数增量K*式中：K*-主刚度系数增量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，提供多级泵转子系统中密封间隙流对转子运动影响的主要参数，包括水力径向力FH，轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2，转子系统空转时固有频率与转速频率比值fn/fr，转子径向位移与设计间隙比值z/h，轴端直径与叶轮直径比值系数d，主刚度系数增量K*，交叉刚度系数增量k*，主阻尼系数增量C*，交叉阻尼系数增量c*，质量系数增量m*，密封间隙各段主刚度系数K，密封间隙各段交叉刚度系数k，密封间隙各段主阻尼系数C，密封间隙各段交叉阻尼系数c，入口损失系数ξ等，其特征在于：密封间隙流的水力径向力满足以下计算关系：式中：FH‑水力径向力，牛；ψ‑扬程系数；ns‑比转数；Q‑叶轮流量，米3/秒；D2‑叶轮直径，米；n‑叶轮转速，转/分；i‑叶轮级数。

【技术特征摘要】
1.一种基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，提供多级泵转子系统中密封间隙流对转子运动影响的主要参数，包括水力径向力FH，轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2，转子系统空转时固有频率与转速频率比值fn/fr，转子径向位移与设计间隙比值z/h，轴端直径与叶轮直径比值系数d，主刚度系数增量K*，交叉刚度系数增量k*，主阻尼系数增量C*，交叉阻尼系数增量c*，质量系数增量m*，密封间隙各段主刚度系数K，密封间隙各段交叉刚度系数k，密封间隙各段主阻尼系数C，密封间隙各段交叉阻尼系数c，入口损失系数ξ等，其特征在于：密封间隙流的水力径向力满足以下计算关系：式中：FH-水力径向力，牛；ψ-扬程系数；ns-比转数；Q-叶轮流量，米3/秒；D2-叶轮直径，米；n-叶轮转速，转/分；i-叶轮级数。2.根据权利要求1所述的基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，其特征在于，由于多级泵的轴为细长轴，所以要考虑在静态情况下整个轴的刚性，而转子径向位移与密封流道单边设计间隙比值z/h可以近似的看做为衡量静态轴刚性的标准，其设计公式：式中：z-转子径向位移，米；h-密封流道单边设计间隙，米；-径向间隙比系数；g-重力加速度，米/秒2；cs-转子材料中的声速，米/秒；L-轴承跨度长度，米；D2-叶轮直径，米；Dw-转子轴直径，米；c-密封间隙各段交叉阻尼系数。3.根据权利要求1所述的基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，其特征在于，在多级泵空转时的动态刚性也是相对来说很重要的，而转子系统空转时固有频率与转速频率比值fn/fr近似的可以看做衡量动态刚性的标准，其设计公式：式中：fn-固有频率；fr-转速频率；-径向间隙比系数；n-叶轮转速，转/分；cs-转子材料中的声速，米/秒；L-轴承跨度长度，米；D2-叶轮直径，米；Dw-转子轴直径，米。4.根据权利要求1所述的基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，其特征在于，在考虑到多级泵是否能够安全稳定的运行的，轴的尺寸成为至关重要的因素，轴端直径必须安全的传递最大扭矩，因此根据多级泵的相关系数得出轴端直径与叶轮直径比值Dk/D2的设计公式：式中：DK-轴端直径，米；Htot-多级泵总扬程，米；D2-叶轮直径，米；ns-比转数；η-水力效率；n-叶轮转速，转/分；i-叶轮级数；d-轴端直径与叶轮直径比值系数；Q-叶轮流量，米3/秒。5.根据权利要求1所述的基于间隙流的多级泵转子动力密封的设计方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：付强，张本营，朱荣生，王秀礼，王学吉，刘永，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32