Rotorfestigkeits- und kritische Drehzahlanalyse einer vertikalen Feuerlöschpumpe mit langer Welle, verbunden mit unterschiedlichen Wellenlängen

Jun 01, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9351 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die vertikale Langschaft-Feuerlöschpumpe (VLSFP) wird hauptsächlich an Brandbekämpfungsorten weit entfernt vom Land und ohne große Wasserversorgung eingesetzt. Als Forschungsobjekt wurde in der Arbeit das XBC18-178-240LC3-Modell von VLSFP ausgewählt. Zuerst wurde die experimentell-numerische hydraulische Leistung des Einzel-VLSFP durchgeführt, und dann wurde die hydraulische Leistung des Multi-VLSFP mit derselben numerischen Simulationsmethode wie die des Einzel-VLSFP analysiert. Danach wurden drei Rotormodelle (Z4-Modell, Z5-Modell-Originalmodell und Z6-Modell) mithilfe einer Modellierungssoftware entworfen, die durch unterschiedliche Längen und Anzahl der Wellenabschnitte bei gleicher Gesamtlänge der Zwischenwellen verbunden waren. Abschließend wurden die Rotorfestigkeit und die kritische Drehzahl von drei Modellen mithilfe der CFD-Simulation und der Workbench-Software analysiert und überprüft. Die Studie ergab im Wesentlichen: (1) Bei der Festigkeitsprüfung des Laufrads war die maximale äquivalente Spannung der drei Modelle geringer als die zulässige Spannung des Rotormaterials, was darauf hindeutet, dass ihre strukturelle Konstruktion die Sicherheitsanforderungen erfüllte; (2) Bei der Überprüfung der kritischen Drehzahl des Wellenrotors lag die Arbeitsgeschwindigkeit des VLSFP unter dem 0,8-fachen der kritischen Drehzahl erster Ordnung der drei Modelle, was darauf hinwies, dass der Rotor die Resonanz und die Struktur der drei Modelle vermeiden konnte erfüllte die dynamischen Designanforderungen. Aufgrund der Belastungsprüfung des Laufrads und der kritischen Drehzahlprüfung des Wellenrotors, bei der Zeit und Arbeitsaufwand kombiniert wurden, als das VLSFP viele Male vor und nach dem Test oder Betrieb installiert und demontiert wurde, wählte die Zeitung das Z4-Modell als das Modell aus optimales Modell, das eine theoretische Unterstützung für die anschließende Optimierung des Strukturdesigns der vertikalen Langschacht-Feuerlöschpumpe bieten könnte.

Die vertikale Langwellen-Feuerlöschpumpe (VLSFP), die hauptsächlich an Orten zur Brandbekämpfung weit entfernt vom Land und ohne große Wasserversorgung eingesetzt wird, wie z. B. Offshore-Plattformen und Kaianlagen, nutzt Meerwasser als Löschwasserquelle. Es bietet die Vorteile einer geringen Stellfläche, eines großen Durchflusses, eines hohen Hubs und eines schnellen Starts. Im Vergleich zu herkömmlichen Pumpen ist die Welle der VLSFP außergewöhnlich lang und besteht aus vielen Wellenabschnitten. Darüber hinaus kann die Länge der Antriebswelle entsprechend dem Meeresspiegel angepasst werden. Wenn der Meeresspiegel niedriger ist als die Installation des Pumpensystems, kann das VLSFP das Wasser umkehren, um Probleme wie Wasserumlenkung und Kavitation zu vermeiden, die durch die höhere Saughöhe verursacht werden. Da es sich um eine große vertikal rotierende Maschine handelt, ist die Stabilität ihres Rotorsystems der Schlüssel zur Sicherheit des Pumpensystems. Wenn die Arbeitsgeschwindigkeit der Pumpe die kritische Geschwindigkeit überschreitet oder sich dieser nähert, vibriert das Rotorsystem1,2.

Die Methoden zur Analyse der Rotordynamik basieren hauptsächlich auf der Transfermatrixmethode und der Finite-Elemente-Methode. Die Transfermatrixmethode wurde von Prohl3 vorgeschlagen und dann von Horner und Pilkey4 verbessert. Seitdem wurden umfangreiche Untersuchungen dazu durchgeführt5,6,7,8. Aufgrund der übermäßigen Vereinfachung des Rotors durch die Transfermatrixmethode ist es jedoch schwierig, die Rechengenauigkeit des Modells sicherzustellen. Im Vergleich dazu kann die Finite-Elemente-Methode das komplizierte Modell und die komplizierte Berechnung verarbeiten9,10. Daher ist die Finite-Elemente-Methode zur bevorzugten Methode für die Rotordynamikanalyse geworden. Darüber hinaus neigen die Rotorblätter rotierender Maschinen bei tatsächlichen Projekten im Langzeitbetrieb zu Rissen. Viele Faktoren beeinflussen Ermüdungsausfälle der Rotorblätter, darunter Material, Struktur, Verarbeitungstechnologie, Temperatur, Druck, äußere Stöße usw.11,12,13,14,15.

In der Rotordynamik sind auch die Modalanalyse und die kritische Geschwindigkeit Forschungsschwerpunkte. Chivens und Nelson16, Heydari und Khorram17 sowie She et al.18,19 untersuchten den Einfluss der Flexibilität der Scheibe auf die kritische Geschwindigkeit und Eigenfrequenz eines rotierenden Welle-Scheiben-Systems. Taplak und Parlak20 bauten das Modell eines Gasturbinenrotors und übernahmen das Dynrot-Programm, um das Campbell-Diagramm und die kritische Geschwindigkeit der rotierenden Systeme zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Rotoren zu erhalten. Castillo et al.21 bestätigten, dass der Aufpralltest eine nützliche Methode zur Identifizierung der Modalparameter elektrischer Tauchpumpen war. Minette et al.22 untersuchten das dynamische Verhalten einer elektrischen Tauchpumpe unter Betriebsbedingungen, die in einem Testbohrloch installiert war, indem sie ihre Eigenfrequenz und Dämpfungsparameter mithilfe der Least Square Complex Exponential-Methode identifizierten. Huang et al.23 untersuchten die Modellierungsmethode der Rotorblattmodi der Turbomolekularpumpe und schlugen eine vereinfachte Methode des blattmodifizierten Modells vor, die auf dem grundlegenden Invarianzprinzip der Masse und des Trägheitsmoments vor und nach der Vereinfachung basiert.

Es gibt jedoch nur sehr wenig Literatur zur Analyse des Rotormodals und der kritischen Drehzahl der Welle des VLSFP. Darüber hinaus erfordert das VLSFP, das mit mehr Wellensegmenten verbunden ist, in praktischen Ingenieurprojekten mehr Zeit und Arbeitskosten, da es vor und nach dem Test oder Betrieb viele Male installiert und demontiert wird. Daher wurde in der Arbeit das VLSFP XBC18-178-240LC3 als Forschungsobjekt ausgewählt. Zuerst wurde die experimentell-numerische hydraulische Leistung des Einzel-VLSFP durchgeführt, und dann wurde die hydraulische Leistung des Multi-VLSFP mit derselben numerischen Simulationsmethode wie die des Einzel-VLSFP analysiert. Danach wurden drei Rotormodelle (Z4-Modell, Z5-Modell und Z6-Modell) mithilfe einer Modellierungssoftware entworfen, die durch unterschiedliche Längen und Anzahl der Wellenabschnitte bei gleicher Gesamtlänge der Zwischenwellen verbunden waren. Abschließend wurden die Rotorfestigkeit und die kritische Geschwindigkeit von drei Modellen mithilfe der CFD-Simulation und der Workbench-Software analysiert und überprüft. Aus den drei Modellen wurde die optimale Lösung ausgewählt, die eine theoretische Grundlage für die anschließende Designoptimierung des vertikalen Langschachtfeuers darstellt Pumpe.

In Tabelle 1 sind die wichtigsten Konstruktionsparameter des XBC18-178-240LC3 VLSFP aufgeführt und in Abb. 1 ist die Zeichnung der gesamten Pumpe dargestellt. Die integrierte Pumpenwelle des VLSFP-Teils besteht aus 7 Einzelwellen (1 Abschnitt der Laufradwelle, 5 Abschnitte der Zwischenwelle und 1 Abschnitt der Antriebswelle), die durch Hülsenkupplungen verbunden sind. In Bezug auf die Länge beträgt die Laufradwelle 2001 mm, die Zwischenwelle 1848 mm (5 Abschnitte sind gleich), die Getriebewelle 2232 mm und der Wellenabschnittsspalt 2 mm, was insgesamt 13.485 mm ergibt die Pumpenwelle. Das Material der Pumpenwelle und des Laufrads ist Duplex-Edelstahl (00Cr22Ni5Mo3N), der die folgenden Eigenschaften aufweist: Dichte = 7850 kg/m3, Elastizitätsmodul = 2,0 × 1011 Pa, Poissonzahl = 0,3, Zugfestigkeit = 620 MPa, Streckgrenze = 450 MPa und zulässige Spannung = 250 MPa.

Gesamtstruktur des XBC18-178-240LC3 VLSFP. Anmerkung: 1 Dieselmotor; 2 Kupplung und Antriebswelle; 3 Kühlwasserleitung; 4 Getriebe; 5 VLSFP.

Der Artikel verwendet die Software Creo5.0, um eine dreidimensionale Modellierung der ersten und mehrstufigen Fluiddomänen des VLSFP basierend auf seiner tatsächlichen Größe durchzuführen. Der Flüssigkeitsbereich bezieht sich auf den Wasserkörper, der durch jeden Teil der Pumpe fließt, weshalb seine Form der Struktur der Pumpe ähnelt. Wie in Abb. 2 gezeigt, umfasst der Flüssigkeitsbereich der ersten Stufe die Wasserkörper, die durch den Einlass, das Laufrad der ersten Stufe, die Raumleitschaufel der ersten Stufe und den Auslass strömen, und der Flüssigkeitsbereich der mehrstufigen Flüssigkeit umfasst die Wasserkörper, die durch strömen Einlass, drei Laufräder, drei Raumleitschaufeln und der Auslass.

Dreidimensionale Flüssigkeitsdomänen des VLSFP.

Unter Berücksichtigung der geometrischen Eigenschaften, der Rechenressourcen und der Genauigkeit des Wassermodells wird die ANSYS ICEM17.0-Software verwendet, um den Einzelkanal und den gesamten Kanal des VLSFP zu vernetzen, und die Grenzschicht wird verarbeitet, um die Anzahl und Qualitätsanforderungen der Gitter sicherzustellen. Abbildung 3a ist das Einkanal-Gittermodell und Abb. 3b ist das Vollkanal-Gittermodell. Abbildung 4 zeigt die 5 Gruppen der Ergebnisse der Netzunabhängigkeitsanalyse des Einzel-VLSFP-Modells. Wie in Abb. 4 dargestellt, sind Förderhöhe und Effizienz des Einzel-VLSFP tendenziell stabil, wenn die Anzahl der Gitter 8.782.000 übersteigt. Unter Berücksichtigung der Berechnungsgenauigkeit und -zeit wird daher schließlich die vierte Gruppe von Gittern (8.782.000) ausgewählt.

Raster der Berechnungsbereiche.

Netzunabhängigkeitstest.

Die stetige numerische Simulation des VLSFP-internen Strömungsfeldes wird von der ANSYS CFX17.0-Software durchgeführt. Die Einstellungen sind wie folgt: Als Medium wird Wasser verwendet; das RNG-k-ε-Turbulenzmodell wird übernommen; die dynamische und statische Schnittstelle ist auf den Frozen Rotor-Modus eingestellt; die Randbedingungen werden auf Druckeinlass und Massenstromauslass eingestellt; der Referenzdruck wählt einen Standard-Atmosphärendruck; Die automatische Wandfunktion wird ausgewählt, um den wandnahen Bereich zu bearbeiten, der als glatte Wand festgelegt ist. die Lösungsdiskretisierung ist auf den Upwind-Stil zweiter Ordnung eingestellt; und das Konvergenzresiduum wird auf 10–4 gesetzt.

Der Test der externen Eigenschaften des Single-VLSFP wird im offenen Prüfstand von Kunshan Pudong Fluid Equipment Co., Ltd., Stadt Suzhou, Provinz Jiangsu, durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Fehler der Effizienz- und Förderhöhenmessungen weniger als 2 % beträgt. In dieser Arbeit wird die numerische Berechnung der hydraulischen Leistung von Einzel-VLSFP durchgeführt und mit den experimentellen Daten verglichen. Nachdem die zuverlässige Berechnungsmethode für Einzel-VLSFP ermittelt wurde, werden dieselben numerischen Einstellungen auf Multi-VLSFP angewendet. Das schematische Diagramm des Einzel-VLSFP-Versuchsaufbaus ist in Abb. 5 dargestellt.

Versuchsaufbau des Single-VLSFP. Anmerkung: 1 Pool; 2 Filtersieb; 3 VLSFP; 4 Getriebe; 5 Dieselmotor; 6 Dieselmotorbasis; 7 Manometer; 8 Elektromagnetischer Durchflussmesser; 9 Gas.

Die hydraulischen Parameter der Pumpe beziehen sich hauptsächlich auf Durchflussrate, Förderhöhe, Wirkungsgrad usw., die die hydraulische Leistung der Pumpe widerspiegeln können. Die hydraulischen Leistungsparameter (experimentell und numerisch) des Einzel-VLSFP unter vier Arbeitsbedingungen von 0,65 Qd, 1,0 Qd, 1,4 Qd und 1,5 Qd sind in Tabelle 2 aufgeführt. Hier bezieht sich Qd auf die Durchflussrate bei Nennbetriebsbedingungen; HE, Hs, \({\varepsilon }_{H}\), \({\eta }_{E}\), \({\eta }_{S}\) und \({\varepsilon }_ {\eta }\) in Tabelle 2 sind jeweils Förderhöhe unter Experiment, Förderhöhe unter Simulation, relativer Fehler der Förderhöhe, Effizienz unter Experiment, Effizienz unter Simulation und relativer Fehler der Effizienz. Wie in Tabelle 2 gezeigt, betragen der relative Fehler der Förderhöhe und der Wirkungsgrad am Nennbetriebspunkt 1,27 % bzw. 2,78 %. Weiter entfernt vom Nennbetriebspunkt nehmen die relativen Fehler von Förderhöhe und Wirkungsgrad zu, die Maxima liegen jedoch nur bei etwa 5 %, was im normalen Fehlerbereich liegt. Abbildung 6 zeigt einen Vergleich der hydraulischen Leistungskurve, die durch Experiment und Simulation für das Einzel-VLSFP ermittelt wurde. Es zeigte sich, dass die Datenübereinstimmung perfekt ist. Die obigen Ergebnisse bestätigen, dass die numerische Simulationsmethode zuverlässig ist und zur Vorhersage der internen und externen Eigenschaften des Einzel-VLSFP verwendet werden kann.

Leistungsmerkmale des Single-VLSFP.

Die hydraulische Leistung des Multi-VLSFP wird analysiert, um die strukturelle Steifigkeit und Festigkeit des Rotors unter Vorspannung zu überprüfen. Sechs Arbeitsbedingungen, nämlich 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd, 1,2Qd, 1,4Qd und 1,5Qd, werden mit derselben numerischen Simulationsmethode wie bei Einzel-VLSFP berechnet. Tabelle 3 zeigt die simulierte hydraulische Leistung. Unter Bezugnahme auf Tabelle 2 ist die simulierte Förderhöhe des Multi-VLSFP viel größer (etwa das 2,3- bis 2,8-fache) als die des Einzel-VLSFP unter denselben Betriebsbedingungen, was der tatsächlichen Situation entspricht. Wie in Abb. 7 dargestellt, ist die simulierte Effizienz des Multi-VLSFP etwas geringer als die des Single-VLSFP, was auch mit der tatsächlichen Situation des Projekts übereinstimmt.

Hydraulische Leistungskurve von Multi-VLSFP.

Diese Studie entwirft mithilfe einer Modellierungssoftware drei Verbindungsschemata mit unterschiedlichen Schaftlängen. Die Keilnut, Hülsenkupplungen und andere Teile werden entsprechend vereinfacht, da sie die Grundstruktur des Wellenrotors nicht beeinträchtigen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Gitter des Wellenrotors reduziert werden, um eine höhere Gitterqualität sicherzustellen und die Berechnungszeit zu verkürzen. Durch die Kombination des ursprünglichen Wellendesigns des Modells ist bis auf die Länge des Mittelteils gleich.

Drei einsegmentige Zwischenwellen: Z4, Z5 und Z6.

Abbildung 9b ist das Originalmodell des VLSFP-Wellenrotors, der über die Hülsenkupplungen aus 7 Einzelwellen (1 Laufradwelle, 5 Zwischenwellen und 1 Antriebswelle) besteht. Die Konstruktionsparameter jedes Teils werden im Detail unter „Modell“ vorgestellt Abschnitt „Einführung“. Dieses Modell wird als Z5-Modell bezeichnet, da es über 5 Zwischenwellen verfügt. In ähnlicher Weise zeigen Abb. 9a und c die Modelle mit 4 bzw. 6 Zwischenwellen, die als Z4 bzw. Z6 bezeichnet werden. Alle Teile des Wellenrotors sind bei allen drei Modellen gleich, mit Ausnahme der Länge und Anzahl der einzelnen Zwischenwellen, und die Gesamtlänge des Wellenrotors bleibt unverändert.

Drei Modelle des VLSFP-Wellenrotors.

ANSYS Workbench 18.0 dient der statischen Analyse des Rotors. Es ist notwendig, die Randbedingungen des Rotors entsprechend den tatsächlichen Bedingungen einzustellen. Die Randbedingungen beziehen sich auf die Lasten und Auflager. Für das VLSFP dieser Arbeit werden drei Arten von Lasten berücksichtigt: die Fluidkraft, die Gravitationskraft und die Zentrifugalkraft. Die Fluidkraft wird geladen, um eine unidirektionale Fluid-Struktur-Wechselwirkung zu realisieren. Die Fluid-Struktur-Wechselwirkung bezieht sich hier auf eine multiphysikalische Feldkopplung zwischen den Gesetzen, die die Fluiddynamik und die Strukturmechanik beschreiben. Wenn eine strömende Flüssigkeit mit einer festen Struktur in Kontakt kommt, wird die Struktur Spannungen und Dehnungen ausgesetzt, und diese Kräfte verformen die Struktur. Darüber hinaus wird die Gravitationskraft durch Addition einer vertikal nach unten gerichteten Gravitationsbeschleunigung und die Zentrifugalkraft durch Addition der Rotationsgeschwindigkeit belastet. Da der Wellenrotor zylindrisch ist, werden bei der Wahl der Einschränkungen die „zylindrischen Stützen“ auf die Lagerstellen aufgebracht, um die axiale und radiale Verschiebung des Rotors zu begrenzen. Außerdem ist die „Remote Displacement“-Funktion auf der Oberseite der Antriebswelle angebracht, um die Drehung des Rotors mit Ausnahme der axialen Drehung zu begrenzen.

Am Beispiel des Originalmodells (Z5). Abbildung 10a–d zeigt die Fluidkraft und Abb. 10e zeigt die Gravitationskraft und die Zentrifugalkraft, wobei „A“ die Zentrifugalkraft und „B“ die Gravitationskraft darstellt. Abbildung 10f zeigt die Stützeinstellung des Rotormodells, in dem die „Zylindrischen Stützen“ durch die Buchstaben „AI“ und die Fernverschiebung durch den Buchstaben „J“ dargestellt werden.

Festlegung der Randbedingungen.

Die Einstellungen der oben genannten Lasten und Stützen stellen effektiv die Konsistenz zwischen der statischen Berechnung und dem tatsächlichen Betriebszustand des Rotors sicher. Darüber hinaus haben Faktoren wie Kreiseldrehmoment und plötzliche Lastwechsel kaum Einfluss auf die Ergebnisse der Rotorstatik, die in dieser Arbeit nicht berücksichtigt werden.

Abbildung 11a–c zeigt die Verformungsverteilungen der Modelle Z4, Z5 und Z6 unter den vier Arbeitsbedingungen 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd und 1,2Qd. Die drei Laufräder in den Abbildungen werden von rechts nach links jeweils als Laufrad der ersten, zweiten und dritten Stufe bezeichnet (siehe unten). Gemäß der Fluid-Struktur-Wechselwirkungstheorie erfolgt die Verformung des Rotors aufgrund der Einwirkung der Flüssigkeitslast auf das Laufrad hauptsächlich am Laufrad. Wie in der Abbildung gezeigt, nimmt die Verformung des Laufrads mit zunehmender Anzahl der Laufradstufen zu, und die maximale Verformung tritt an der oberen Kronenkante des Laufrads der dritten Stufe auf. Der Grund dafür ist, dass die Flüssigkeit durch die Drehung des Laufrads Energie gewinnt. Je mehr Stufen die Flüssigkeit durch das Laufrad durchläuft, desto mehr Energie erhält sie. Daher ist der Flüssigkeitsdruck auf dem Laufrad der ersten Stufe am geringsten, und mit zunehmender Anzahl der Laufradstufen nimmt der Flüssigkeitsdruck auf dem Laufrad allmählich zu. Darüber hinaus wird die Gesamtdruckverteilung der Laufräder mit zunehmender Durchflussmenge gleichmäßiger, da der Auslassdruck des Laufrads bei hohen Durchflussbedingungen niedriger ist als bei niedrigen Durchflussbedingungen. Mit zunehmender Fördermenge verringerte sich die Verformung des Laufrads kontinuierlich und wird relativ gleichmäßiger. Dieser Trend stimmt im Wesentlichen mit dem des Flüssigkeitsdrucks im Laufrad überein.

Verformungsverteilung der drei Modelle unter vier Arbeitsbedingungen.

Abbildung 12a–c zeigt die äquivalente Spannungsverteilung der Modelle Z4, Z5 und Z6 unter den vier Arbeitsbedingungen 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd und 1,2Qd. Da das Laufrad einer Wechselwirkung zwischen Fluid und Struktur ausgesetzt ist, spiegelt sich die äquivalente Spannung des Rotors hauptsächlich im Laufrad wider, dessen Variationstendenz dem der Verformung entspricht. Aus Abb. 12a ist ersichtlich, dass die maximale Äquivalentspannung der Laufräder des Z4-Modells unter den vier Arbeitsbedingungen 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd und 1,2Qd 126,98 MPa, 111,44 MPa, 100,02 MPa bzw. 92,186 MPa beträgt . Der Maximalwert von 126,98 MPa wird für den kleinsten Strömungszustand 0,2Qd ermittelt, was immer noch unter der zulässigen Spannung liegt (die 250 MPa beträgt, wie im Abschnitt „Modelleinführung“ gezeigt), was bedeutet, dass das Rotormaterial die Festigkeitsanforderungen erfüllt. Daher entspricht die strukturelle Festigkeit des Z4-Modells den Designanforderungen. In ähnlicher Weise beträgt, wie in Abb. 12b, c dargestellt, die maximale äquivalente Spannung für das Z5-Modell und das Z6-Modell 116,5 MPa bzw. 134,6 MPa, beide unter der 0,2Qd-Bedingung, was weniger als die zulässige Spannung ist.

Äquivalente Spannungsverteilung der drei Modelle unter vier Arbeitsbedingungen.

Um die Änderungstrends der statischen Parameter von drei Modellen intuitiv darzustellen, zeigt Abb. 13 das Verformungsmaximum des Rotors unter den vier Arbeitsbedingungen 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd und 1,2Qd für die drei Modelle von Z4. Z5 und Z6. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Änderungstrends der drei Modelle im Wesentlichen gleich sind und die Verformung unter der Bedingung kleiner Strömung von 0,2 Qd am größten ist, was darauf zurückzuführen ist, dass die interne Strömung des Laufrads nicht gleichmäßig ist Dann wären einige Bereiche des Laufrads bei geringer Strömung einer größeren Kraft ausgesetzt. Darüber hinaus zeigt der durch die rote Linie dargestellte Verformungswert des Z5-Modells (Originalmodell) im Vergleich zu den Modellen Z4 und Z6 mit zunehmender Durchflussrate einen stärkeren Abwärtstrend. Unter Nennbedingungen und darüber hinaus ist die maximale Verformung des Z5-Modells immer kleiner als die des Z4- oder Z6-Modells, was darauf hinweist, dass das strukturelle Design des Z5-Modells sinnvoller ist. Die maximale Verformung der Z4- und Z6-Modelle liegt jedoch in einem angemessenen Bereich (der Rotorverformungsgrad beträgt im Allgemeinen: 10–2–10–1 mm), was auch den Anforderungen des Rotorstrukturdesigns entspricht.

Variation der maximalen Verformung von drei Modellen unter vier Arbeitsbedingungen.

Abbildung 14 zeigt die maximale äquivalente Spannung von Z4, Z5 und Z6 unter den vier Arbeitsbedingungen 0,2Qd, 0,65Qd, 1,0Qd und 1,2Qd. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Variationstrends der drei Modelle grundsätzlich gleich sind, wobei der Maximalwert immer unter der Kleinflussbedingung von 0,2 Qd auftritt. Der Grund für dieses Phänomen liegt auch darin, dass die interne Strömung des Laufrads nicht gleichmäßig ist und einige Bereiche des Laufrads bei geringer Strömung einer größeren Kraft ausgesetzt wären. Darüber hinaus ist der äquivalente Spannungswert des Z5-Modells (Originalmodell) im Vergleich zu den Z4- und Z6-Modellen am kleinsten, was darauf hinweist, dass das strukturelle Design des Z5-Modells vernünftiger ist. Obwohl die maximale äquivalente Spannung der Z4- und Z6-Modelle größer ist als die des Z5-Modells, liegt sie immer noch unter der zulässigen Spannung des Rotormaterials, was auch den strukturellen Sicherheitsanforderungen der Konstruktion entspricht.

Äquivalente Spannungsmaximalverteilung von drei Modellen unter vier Arbeitsbedingungen.

Abbildung 15 zeigt die ersten 12 Eigenfrequenzen der drei Modelle Z4, Z5 und Z6 im Trockenmodus. Der Trockenmodus bezieht sich auf den inhärenten Modus der Struktur in der Luft, unabhängig vom Einfluss der umgebenden Flüssigkeit auf den Strukturmodus. Da die Wassermasse des Laufrads im Vergleich zur Masse des gesamten Wellenrotors vernachlässigt werden kann und die Vorspannung nur einen geringen Einfluss auf die Betriebsart des Rotors hat, werden in der Arbeit die inhärenten Eigenschaften des Wellenrotors analysiert Trockenmodus. Wie in Abb. 15 dargestellt, weist die Eigenfrequenz des Rotors mit zunehmender Ordnung im Allgemeinen einen zunehmenden Trend auf. Darüber hinaus ist die Eigenfrequenz des Z6-Modells die größte und die Eigenfrequenz des Z4-Modells die kleinste in derselben Größenordnung. Der Grund für dieses Phänomen liegt darin, dass je länger die Einzelsegment-Zwischenwelle ist, desto weniger Zwischenwellen vorhanden sind und desto weniger Kupplungen und Lagerstützen erforderlich sind. Dadurch wird die Kopplungs- und Stützsteifigkeit des gesamten Wellenrotors verringert, was direkt die Eigenfrequenz des gesamten Wellenrotors verringert.

Eigenfrequenzdiagramme von drei Modellen im Trockenmodus.

Die Schwingungsformen des Rotors können die Schwingungs- und Torsionsamplituden jedes Teils davon widerspiegeln, was von Vorteil ist, um schwächere Teile des Strukturdesigns zu finden. Die ersten Schwingungsformen 12. Ordnung der drei Modelle Z4, Z5 und Z6 sind in Abb. 16 dargestellt. Hier wird die gleiche Ordnung der Schwingungsformen der drei Modelle zur Analyse zusammengestellt und die drei Modelle von oben nach unten sind Z4 , Z5 bzw. Z6. Das Koordinatensystem in der unteren rechten Ecke spiegelt die tatsächliche Ausrichtung des Rotors wider und die Verschiebungsvergrößerung beträgt 100. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass für drei Modelle die Schwingungsformen erster und zweiter Ordnung die Biegeverformung und sind Die größte Verformung tritt in der Mitte des ersten Lagers und der ersten Zwischenwelle auf. Je höher die Ordnung, desto komplexer ist jedoch die Schwingungsform. Bei Schwingungsformen dritter Ordnung und höher bestehen Verformungen des Rotors aus Quer- und Torsionsschwingungen, und die Mischpositionen treten im Wesentlichen an den Zwischenwellen auf, was auf die Erhöhung der Eigenfrequenz und der kritischen Drehzahl des gesamten Wellenrotors zurückzuführen ist System.

Schwingungsformen der drei Modelle.

Tabelle 4 zeigt die kritischen Geschwindigkeiten der drei Modelle. In der Tabelle steht „WD“ für die Wirbelrichtung, „CS“ für die kritische Geschwindigkeit, „BW“ für den Rückwärtswirbel und „FW“ für den Vorwärtswirbel. Gemäß der theoretischen Grundlage der Rotordynamik sind die der „FW“ entsprechenden kritischen Drehzahlen die tatsächlichen kritischen Drehzahlen des Rotors. Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die ersten sechs kritischen Drehzahlen des Z4-Modells 1952,4 U/min, 2711,5 U/min, 3296,4 U/min, 4054,9 U/min, 5858,0 U/min bzw. 7375,9 U/min sind. Wenn die Arbeitsgeschwindigkeit des Rotors niedriger als das 0,8-fache seiner kritischen Geschwindigkeit erster Ordnung ist, kann der Rotor die Resonanz vermeiden24. Da die Arbeitsgeschwindigkeit des VSLFP 1485 U/min beträgt und 1485 weniger als 0,8 \(\times \) 1952,4 beträgt, erfüllt die Z4-Modellstruktur die dynamischen Designanforderungen. Ebenso sind die ersten fünf kritischen Drehzahlen des Z5-Modells 2719,6 U/min, 4555,7 U/min, 5368,5 U/min, 6311,4 U/min bzw. 8513,8 U/min. Beachten Sie, dass 1485 weniger als 0,8 \(\times \) 2719,6 beträgt, was darauf hinweist, dass die Struktur des Z5-Modells die Anforderungen des dynamischen Designs erfüllt. Ebenso ist beim Z6-Modell die kritische Drehzahl erster Ordnung, 3488,9 U/min, sogar noch höher, was darauf hindeutet, dass die Struktur des Z6-Modells die dynamischen Designanforderungen erfüllt.

Abbildung 17 zeigt die kritischen Geschwindigkeiten der Modelle Z4, Z5 und Z6 in den ersten 12 Modi. In der Abbildung stellen die 6 grünen Kreise auf der schwarzen Kurve die ersten kritischen Geschwindigkeiten 6. Ordnung des Z4-Modells dar, die 5 violetten Kreise auf der roten Kurve stellen die ersten kritischen Geschwindigkeiten 5. Ordnung des Z5-Modells dar und die 6 braunen Kreise stellen die ersten kritischen Geschwindigkeiten 5. Ordnung des Z5-Modells dar Die blaue Kurve stellt die kritischen Geschwindigkeiten erster 6. Ordnung des Z6-Modells dar. Darüber hinaus erscheinen die kritischen Geschwindigkeiten erster Ordnung von drei Modellen alle im Modus zweiter Ordnung. Allerdings erscheint die kritische Geschwindigkeit zweiter Ordnung des Z4-Modells im Modus vierter Ordnung, während die des Z6-Modells im Modus fünfter Ordnung und die des Z5-Modells im Modus sechster Ordnung erscheint. Dies weist darauf hin, dass die Resonanz zweiter Ordnung des Z5-Modells (Originalmodell) im Vergleich zu den Z4- und Z6-Modellen verzögert ist. Darüber hinaus ist aus der Abbildung ersichtlich, dass die kritische Geschwindigkeit des Z6-Modells am größten und die kritische Geschwindigkeit des Z4-Modells am kleinsten ist. Der Grund für dieses Phänomen ist derselbe wie im Abschnitt „Rotor-Eigenfrequenzanalyse“.

Vergleich der kritischen Geschwindigkeiten an drei Modellen.

Gemäß der Belastungsprüfung des Laufrads, der kritischen Drehzahlprüfung des Wellenrotors usw. erfüllen alle drei Modelle (Z4-Modell, Z5-Modell und Z6-Modell) die Anforderungen des Rotorstrukturdesigns und des dynamischen Designs. Bei tatsächlichen Ingenieurprojekten erfordert das VLSFP, das mit mehr Wellensegmenten verbunden ist, jedoch mehr Zeit und Arbeitskosten, da es vor und nach dem Test oder Betrieb viele Male installiert und demontiert wird. Zusammenfassend wählt der Artikel das Z4-Modell als optimales Modell aus und bietet eine theoretische Unterstützung für die anschließende Designoptimierung der vertikalen Langwellen-Feuerlöschpumpe.

In der Arbeit wurde XBC18-178-240LC3 VLSFP als Forschungsobjekt ausgewählt und mithilfe von Modellierungssoftware drei Modelle (Z4-Modell, Z5-Modell und Z6-Modell) entworfen, die durch unterschiedliche Länge und Anzahl der Wellenabschnitte bei gleicher Gesamtlänge der Zwischenwellen verbunden sind Anschließend wurden die Rotorfestigkeit und die kritische Geschwindigkeit von drei Modellen mittels CFD-Simulation und Workbench-Software analysiert und überprüft. Die wichtigsten Schlussfolgerungen waren wie folgt:

Mit zunehmender Fördermenge verringerte sich die Verformung und Vergleichsspannung des Laufrads kontinuierlich und wurde gleichmäßiger.

Bei der Festigkeitsprüfung des Laufrads war die maximale äquivalente Spannung der drei Modelle geringer als die zulässige Spannung des Rotormaterials, was darauf hindeutete, dass ihre Konstruktion die Sicherheitsanforderungen erfüllte.

Bei der Überprüfung der kritischen Drehzahl des Wellenrotors lag die Arbeitsgeschwindigkeit des VLSFP unter dem 0,8-fachen der kritischen Drehzahl erster Ordnung der drei Modelle, was darauf hinwies, dass der Rotor der Resonanz ausweichen kann und die Struktur der drei Modelle der Dynamik entsprach Designanforderung.

Aufgrund der Belastungsprüfung des Laufrads und der kritischen Drehzahlprüfung des Wellenrotors, bei der Zeit und Arbeitsaufwand kombiniert wurden, als das VLSFP viele Male vor und nach dem Test oder Betrieb installiert und demontiert wurde, wählte die Zeitung das Z4-Modell als das Modell aus optimales Modell, das eine theoretische Unterstützung für die anschließende Designoptimierung der vertikalen Langwellen-Feuerlöschpumpe bieten kann.

Der Arbeit fehlte die experimentelle Verifizierung der Dynamik. Aufgrund der komplexen Struktur und des großen Volumens des VLSFP gab es derzeit keinen entsprechenden Teststandort. Daher würde in der nachfolgenden Forschung eine Verkleinerung des VLSFP-Modells in Betracht gezogen und anschließend der Rotordynamiktest durchgeführt.

Die während der aktuellen Studie generierten oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von Industry Foresight und Key Core Technology Projects der Provinz Jiangsu unterstützt [Fördernummern: BE2019009-01].

Nationales Forschungszentrum für Pumpen, Jiangsu-Universität, Zhenjiang, 21.2013, China

Haiqin Song, Jinfeng Zhang & Fan Zhang

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HS: Konzeptualisierung, numerische Simulation, formale Analyse, Untersuchung, Verfassen des Originalentwurfs. JZ: Methodik, Überwachung, Untersuchung, Überprüfung und Bearbeitung. FZ: Überarbeiten und Polieren.

Korrespondenz mit Haiqin Song.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Song, H., Zhang, J. & Zhang, F. Analyse der Rotorfestigkeit und der kritischen Drehzahl einer vertikalen Feuerlöschpumpe mit langer Welle, verbunden mit unterschiedlichen Wellenlängen. Sci Rep 12, 9351 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13320-z

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Eingegangen: 24. Januar 2022

Angenommen: 23. Mai 2022

Veröffentlicht: 07. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13320-z

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