離心泵運轉穩定性分析

閻奕辰，張鴻文，王文鑫，孫建路，王 圣

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

離心泵是一類通過葉輪旋轉生成的離心力來完成流體輸送的機械裝置。離心泵在石油化工行業中得到了十分廣泛的應用。由于石化行業生產對于過程連續性具有極高的要求，且生產過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，若離心泵出現異常故障，可能會引發一系列的連鎖效應，造成嚴重的后果，因此需要重點保證離心泵的運轉穩定性與可靠性。離心泵運轉過程中，若振動過大，會嚴重影響其性能與安全性。通過分析離心泵的結構與工作原理發現引起振動的主要原因是由于其內部轉子的旋轉。若轉子旋轉頻率與其自然頻率相近時，會因共振而加劇振動幅度，嚴重的，可能會造成離心泵轉子失效。由此可見，探究離心泵轉子旋轉過程中的振動規律與影響離心泵運轉穩定性的因素，進而采取針對性的優化措施降低離心泵轉子的振動，對于提高離心泵運轉穩定性，延長其使用壽命，進而保障我國石油化工行業的發展具有重要的價值。

1 離心泵運轉穩定性概述

通過查閱有關學者對離心泵結構、工作原理，以及運行過程中振動規律的相關研究發現，目前可以通過理論分析與計算、試驗檢測，以及計算機仿真分析等方法來完成離心泵運轉穩定性的分析，特別是，近年來FEA仿真分析的發展與應用，更是有效提高了離心泵運轉穩定性分析的可操作性與可靠性[1]。通過導入離心泵結構模型與運行參數，可以模擬其真實運行場景，建立轉子運轉過程的振動分析模型與離心泵運轉穩定性分析模型，從而解決傳統理論分析與計算中存在的效率低下、結果可靠性不足，以及方程漏根等問題，從而大大提高了離心泵運轉穩定性分析的準確性。在石化工程實踐中，常使用ANSYS軟件來進行離心泵運轉穩定性的FEA分析。采用模態分析的方式可以掌握離心泵轉子運轉過程中的振動規律，從而能夠為離心泵結構的優化、轉子的安裝與維護等提供參考。

2 離心泵運轉穩定性分析的預處理

2.1 構建轉子三維模型

假定以石油化工行業中常用的A型離心泵為研究對象，以該離心泵的結構為依據，使用Solid works軟件創建該A型離心泵轉子3D模型，得到的效果圖如圖1所示。

圖1 離心泵轉子3D模型

需要說明的是，由于離心泵轉子外形相對復雜，直接使用Solid works軟件建模，可能會在一定程度上影響FEA分析的準確性，還會延長FEA分析的時間，因此可以對其進行適當的簡化，保留其中的關鍵結構信息，剔除倒角與圓弧過度等對FEA分析結果影響較小的工藝結構。

2.2 定義材質與劃分網格線

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

材質屬性定義完成后,應確定劃分網格的方法。使用自由網格劃分法，可以有效降低FEA軟件仿真過程中出現技術性失誤的可能性，因此采用該方法劃分網格，可以得到較好的效果。使用自由劃分法對離心泵轉子的3D模型進行劃分網格后，得到圖2所示的效果圖。

圖2 轉子3D模型網格劃分效果圖

2.3 引入約束條件

為了準確掌握不同轉速條件下離心泵的運轉穩定性情況，需要在進行FEA仿真分析時合理地引入一些約束條件。其中，離心泵運轉過程中轉子的約束條件主要為模態分析自由度與支承處的剛度阻尼[2]。為了方便計算與分析，將剛度阻尼簡化為剛度與彈性阻尼兩項參數。在上述材質與離心泵類型條件下，轉子支承處的剛度值是 1.05×107N/m，彈性阻尼是 2.0×103N·s/m。進行轉子的動態仿真時，啟動FEA的Connections后新增剛度值與彈性阻尼值兩項參數，Ground to solid約束的類型選擇Beam。定義約束條件后，按照先后順序將離心泵轉速設置為 3000 r/min、3500 r/min 、 4000 r/min，然后進行該三階轉速條件下的運轉穩定性仿真分析。

3 離心泵運轉穩定性仿真結果分析

3.1 離心泵運轉振型分析

離心泵轉子的運轉穩定性FEA仿真預處理完成后，打開ANSYS軟件的求解器功能，實施對離心泵轉子的模態解析。模態解析結束后分別導出轉子的一階、二階、三階模態振型，得到如圖3所示的振型云圖。

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

(a)一階振型云圖

(c) 三階振型云圖

3.2 支承剛度對離心泵運轉穩定性的影響分析

影響離心泵運轉穩定性的因素主要有轉子支承剛度、轉子系統的支撐位置，以及轉子的位置等。就某一離心泵而言，其轉子的結構設計、在離心泵中所處的位置，以及轉子支承結構的位置都是固定不變的，因此在現實中僅可通過改變離心泵轉子系統的支撐剛度來優化離心泵的運轉穩定性[3]。

打開ANSYS FEA模擬仿真軟件中的模態分析單元，再次定義離心泵轉子系統支承部件的Ground to solid剛度。初始條件下，轉子系統支承部件剛度是 1.05×107N/m，然后依次將其調整為 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施模態分析，導出轉子系統的一階振型、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應的轉子振型位移。如表1所示。

表1 不同支承剛度對應的轉子振型的最大位移

分析表1中的數據知道，當轉子支承部件的剛度變大時，一階、二階以及三階振型中的最大位移值顯著降低，轉子支承部件的剛度從 1.05×107N/m 增大到 1.05×108N/m 時，一階振型中轉子最大位移減少了 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。

通過以上仿真分析發現，若離心泵運轉過程中發生共振現象，會造成十分明顯的變形，且變形量會隨著振型階數的增大而增大；離心泵轉子系統支承部件的剛度越大，轉子旋轉時的振動越弱，離心泵運轉的穩定性也就越好。

4 結論

離心泵作為重要的流體輸運設備，隨著石化產業的發展得到了廣泛的應用。離心泵運轉過程中的振動問題，會嚴重影響其工作性能、安全性以及使用壽命。本文通過FEA分析，探究了離心泵運轉過程中轉子振型與振動影響的模擬仿真和轉子支承剛度對離心泵運轉穩定性影響的模擬仿真，發現不同振型對應的轉子振動趨勢存在一定的差異；支撐離心泵轉子的構件剛度越好，則離心泵運轉振動情況越好，離心泵的運轉穩定性也越好。因此，可以通過提高離心泵轉子支撐部件剛度的方式來優化離心泵的運轉穩定性，進而保障石油化工生產的可靠性。