为什么在泵转子动力学中要考虑轴承和密封件?现代泵的可靠性和机械性能在很大程度上取决于转子的动态设计。转子动力学的核心目标是防止过度振动和不稳定，这在很大程度上受到机器轴承和密封的动态特性的影响。这使得这些部件成为执行准确分析和可靠性预测的关键因素，因为它们为系统提供了刚度和阻尼。
虽然转子动力学分析是类似的任何旋转机器，泵转子动力学有特定的挑战，必须解决。由于泵通常处BETVICTOR体育官网理高密度液体，液封的动态效应变得更加重要。由液体密封产生的刚度和附加质量系数极大地改变了泵的临界转速。这些系数取决于几个因素，如轴和定子之间的间隙，液体性质，等等。因此，在间隙的干燥和潮湿条件以及新条件和磨损条件之间存在区别。当密封由于处于潮湿环境而具有某些特性时，它们会在运行过程中重新分配并改变轴承的载荷。
轴承和密封模拟应与相关分析相关联，包括二次流道建模。这对于获得边界条件，确定密封件和轴承的流体动力学参数以及计算动态系数(刚度和阻尼)是有用的。
模拟轴承
多种轴承可用于支持泵转子系，它们对转子动力学的影响可以有很大的不同。泵应用中最常见的轴承类型是滚动轴承和流体动力油膜(滑动)轴承。当使用条件(速度、径向和轴向载荷)不再允许使用滚动接触轴承时，采用滑动接触轴承;例如，当设备运行在每分钟3000转(rpm)以上，功率超过500马力(hp)时。一个典型的轴承可以用四个刚度和四个阻尼系数建模，它们是直接的和交叉耦合的。
为了确定这些系数，轴承建模必须基于精确的物理效应模拟。
对于这些轴承，详细的模拟通常基于雷诺方程的有限差分或有限元解，这些方程用热传导方程展开。该方法即使对复杂的设计也能得到准确的结果。尽管工程师可能会默认使用计算流体动力学(CFD)分析等强大的仿真方法，但由于建模的复杂性和计算时间的延长，这种方法在实践中并不总是使用。相反，在1D中建模轴承并模拟其性能特征可以更简单、更好，从而使用更少的功率和资源更快地收集模拟结果。
滚动轴承模拟的方法根据任务的不同而有很大的不同。给出赫兹接触精确解的滚动轴承的先进方法是弹性、弹流润滑(EHL)接触模型和有限元方法。然而，这种先进的方法需要大量的计算资源和模型准备，因此使用这种方法获得解也相当耗时。在实践中，为了确定刚度系数和估计轴承热产生，可以使用更简单的半经验方法。通常，摩擦功率要考虑轴承的配置、载荷及其阻力系数。阻力系数包括无量纲相关性，如雷诺数和欧拉数。摩擦功率是作为阻力系数、轴承几何数据和轴承温度下流体密度的函数计算的。冷却轴承所需的油质量流量可以从热平衡方程中找到。
正如本文前面提到的，轴承和密封件不应该在气泡内模拟。相反，重要的是要考虑到相关的系统，如整个油润滑系统。这个系统不仅负责润滑运动部件和表面，还负责冷却它们。润滑系统通常包括供应和排放通道，以及喷嘴。在设计这些系统时，目标是估算出能够产生足够的润滑油质量流量的压力水平，同时确保可接受的油速。为了防止焦化，油摩擦和其他负面影响，增加油位将不起作用。因此，排放通道必须确保适当的油去除。解决这些问题最有效的方法是使用一维热流体网络方法。1这种方法使工程师能够快速建立基于初步数据的网络，这对于验证进一步的流体动力学和机械轴承特性模拟的初始参数是必要的。
模拟海豹
根据用途、压力值和工作流体的不同，泵送设备中使用不同类型的密封件。这些包括液体环形，迷宫，叶轮眼和唇密封。泵的典型设计包括各种密封(环形/迷宫)，如图2所示。根据位置的不同，这些密封可以是级间型、叶轮眼型和平衡活塞型。
液体密封对机器转子动态性能的影响类似于轴承(即密封引入刚度、阻尼和附加质量)。因此，转子动力学模型应该包含额外的弹簧-阻尼-质量元素。每个密封产生的总力取决于上述因素以及转子偏转，速度和加速度在他们的位置。
一种常见而有效的方法来模拟转子的密封行为是蔡尔兹2该方法以德州农工大学涡轮机械实验室前主任Dara Childs的名字命名。蔡尔兹提出了液体和气体环形密封的刚度计算公式和阻尼系数。该公式包含许多初始参数，包括转子转速、入口旋流比、流体粘度、液体环形密封半径、轴向和周向雷诺数等。由于这种方法的多面性，这些规则被集成到几个商法典中。
密封件进出口参数的精确计算是动力系数分析的关键问题。预测二次流路径的压力水平不是一项简单的任务，需要整个液压系统的模型。密封部件中的流动行为是复杂的。此外，它还受到一个旋转壁面的影响，旋转壁面使密封件内的气流旋转，而定子壁面则使气流减速。如果旋转安装工作在高温工作流体中，流体一侧的内壁会加热密封组件中的流动。压降、泄漏和工作流体加热可以通过3D CFD进行估计。然而，如前所述，这是耗时的，需要足够的工程工作，更不用说计算能力了。因此，在工程实践中，可以经常使用一维热流体网络方法来解决这些问题，该方法使用相关方程来计算阻力或流量系数。
把一切结合在一起
由于泵的可靠性取决于不同的设计考虑因素，采用集成方法是开发的关键策略。这使工程师能够确保没有设计上的考虑被忽视，并确保机器的可靠性。二次流分析以及润滑系统的正确分析需要与转子动力学一起考虑。此外，轴承和密封件具有自身的刚度和阻尼特性，需要考虑作为转子系列的一部分，以便泵正常有效地工作。简而言之，多层面的问题必须用多层面的工具和方法来解决，这就是为什么在设计/分析领域出现了流程集成和自动化的趋势。下面的插图展示了集成平台中的一个示例。
图4展示了一个5级转子动力泵模型的例子。该模型包括转子、轴承和密封件。轴承特性已计算并导入模型(图1)。对相应的二次流道压力级估计和泄漏流量进行建模，如图3所示。
这个过程是并且应该被模拟为一个耦合任务。通过采取综合和多方面的方法，并使用经过验证的方法，如1D热网络建模，工程师将能够确定泵的转子系列是否得到了适当的支撑，以及润滑，这将确保泵的长使用寿命。
参考文献
1.Khandrymailov A.， Moroz L.， Yevlakhov V.， Staple S.和Vogel G.，“叶轮机械中流体网络计算的无损结模型的一种方法”。2020年ASME涡轮增压博览会论文集。gt2020 - 16079。2020年9月23日。
2.叶轮机械转子动力学:现象，建模和分析。纽约:Wiley, 1993年。
3.Idelchik:《水力阻力手册》。Begell House，纽约(2008年)。