CN107609260B - 高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法 - Google Patents

高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法：水力模型试验测得模型叶轮水推力FM，提出叶轮轴向力换算有效作用系数KFA，使用真机泵设计参数与有效作用系数KFA的乘积得出真机叶轮轴向水推力ASAh。水力模型试验得出径向力换算有效作用系数KFR与径向力波动有效作用系数△KFR，使用真机叶轮设计参数及有效作用系数计算真机径向力FRh与真机径向力波动△FRh；通过提出的相似计算公式计算转矩有效作用系数KMR与转矩波动有效作用系数△KMR，转矩有效作用系数与介质密度、重力加速度、扬程、叶轮外径的三次方的乘积计算真机叶轮转矩MRh与转矩波动△MRh。

Description

高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法
技术领域：本发明涉及一种高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法。
背景方法：目前国内针对水力部件轴向载荷、转子径向载荷的分析计算多依赖经验公式或商业软件，计算结论误差较大，缺乏理论依据及可信度低，很难应用到工程实践当中，特别是对设计要求极其严格的核电与军工产业，理论的缺失也是国内众多泵企仅能承制核二、三级泵的主要原因。
发明内容：
本发明的目的是提供一种适用于所有比转速下混流式、轴流式离心机械叶片轴向力及径向力的高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法。本发明的方法方案为：一种高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换工艺，主要采用水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM，模型泵叶轮径向力FRM与转矩MRM，计算得出载荷换算有效作用系数，通过有效作用系数换算至真机载荷：
1、转子轴向推力轴承载荷相似转换：
1)水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM；
测量转轴推力轴承瓦面油膜压差及推力轴承力与压差的滑移梯度，模型泵进口压力与模型水头计算模型泵叶轮轴向水推力：
FM＝Pa*Pcal+(Phc1+P2)*ASM
Pa推力轴承瓦面油膜压差；
Pcal推力轴承力与压差的滑移梯度；
Phc1模型泵水头；
P2模型泵进口压力；
ASM转子密封区域面积；
2)计算叶轮轴向水推力有效作用系数；
Figure GDA0002497788020000021
其中：
FM为模型泵叶轮轴向水推力，模型试验测量；
ρM为模型试验介质密度；
g为重力加速度；
HM为模型泵扬程；
DM为模型泵叶轮外径；
3)真机叶轮水推力换算；
Figure GDA0002497788020000022
其中：
ρP为真机运行工况介质密度；
HP为真机泵扬程；
DP为真机叶轮外径；
2、转子径向轴承载荷相似转换:
1)水力模型试验测得模型泵叶轮径向力FRM与径向力波动△ FRM；
2)计算叶轮径向水推力有效作用系数KFR与径向力波动有效作用系数△KFR；
Figure GDA0002497788020000031
Figure GDA0002497788020000032
其中：
FRM为模型泵叶轮径向力，模型试验测量；
△FRM为径向力波动，模型试验测量；
3)真机叶轮径向水推力FRh与径向水推力波动△FRh换算；
Figure GDA0002497788020000033
Figure GDA0002497788020000034
4)水力模型试验测得模型泵叶轮转矩MRM与转矩波动△MRM；
5)计算叶轮转矩有效作用系数KMR与转矩波动有效作用系数△ KMR；
Figure GDA0002497788020000035
Figure GDA0002497788020000036
6)真机叶轮转矩MRh与转矩波动△MRh换算；
Figure GDA0002497788020000041
Figure GDA0002497788020000042
本发明提出模型泵与真机轴向载荷、径向载荷间的相似转换，提出了在笛卡尔坐标系下真机推力轴承、径向轴承平衡的计算方法，适用于所有比转速下混流式、轴流式离心机械叶片轴向力及径向力的计算。
本发明的有益效果是：
(1)目前叶轮轴向水推力、径向力计算国内长期依赖经验公式或商业软件，计算结论误差较大，缺乏完整的理论及试验依据，且载荷计算精度无法保证，特别是对设计要求极其严格的核电与军工产业，理论的缺失也是反应堆冷却剂泵目前无法国产化的根本原因。
(2)叶轮轴向推力载荷相似转换工艺方法，首次提出轴向水推力有效作用系数；
a)水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM；
测量转轴推力轴承瓦面油膜压差及推力轴承力与压差的滑移梯度，模型泵进口压力与模型水头计算模型泵叶轮轴向水推力：
FM＝Pa*Pcal+(Phc1+P2)*ASM
Pa推力轴承瓦面油膜压差；
Pcal推力轴承力与压差的滑移梯度；
Phc1模型泵水头；
P2模型泵进口压力；
ASM转子密封区域面积；
b)计算叶轮轴向水推力有效作用系数；
Figure GDA0002497788020000051
其中：
FM为模型泵叶轮轴向水推力，模型试验测量；
ρM为模型试验介质密度；
g为重力加速度；
HM为模型泵扬程；
DM为模型泵叶轮外径；
c)真机叶轮水推力换算；
Figure GDA0002497788020000052
其中：
ρP为真机运行工况介质密度；
HP为真机泵扬程；
DP为真机叶轮外径；
(3)叶轮径向载荷相似转换方法方法，首次提出叶轮径向水推力有效作用系数及径向转矩有效作用系数；
a)水力模型试验测得模型泵叶轮径向力FRM与径向力波动△ FRM；
b)计算叶轮径向水推力有效作用系数KFR与径向力波动有效作用系数△KFR；
Figure GDA0002497788020000061
Figure GDA0002497788020000062
其中：
FRM为模型泵叶轮径向力，模型试验测量；
△FRM为径向力波动，模型试验测量；
c)真机叶轮径向水推力FRh与径向水推力波动△FRh换算；
Figure GDA0002497788020000063
Figure GDA0002497788020000064
d)水力模型试验测得模型泵叶轮转矩MRM与转矩波动△MRM；
e)计算叶轮转矩有效作用系数KMR与转矩波动有效作用系数△ KMR；
Figure GDA0002497788020000065
Figure DEST_PATH_IMAGE002
f) 真机叶轮转矩MRh 与转矩波动△MRh 换算；
Figure GDA0002497788020000067
Figure GDA0002497788020000068
(4)本发明首次通过模型试验与相似转换工艺计算叶轮载荷，并建立力平衡方程组，求解转子径向轴承载荷；本方法填补了国内水力部件水推力分析的空白。
本发明中提出了模型泵轴向力、径向力与真机间的相似转换工艺，并给出主泵转子推力轴承与径向轴承的载荷计算方法，是基于长期的水力设计理论、水力模型试验及经验总结得出。通过核电站长期运行验证，设备维护期间检测评估，均满足规格书的设计要求。
本发明工作原理：本发明的特点是提出了基于模型泵与真机间叶轮轴向力、径向力及叶轮转矩的相似转换理论，既通过计算有效作用系数，计算真机泵叶轮的轴向与径向载荷；平衡转子自重、系统压力载荷、叶轮轴向水推力计算转子推力轴承载荷；在笛卡尔坐标系下，通过建立径向力平衡方程、以径向轴承为支点的力矩平衡方程、以叶轮中心为支点的力矩平衡方程组，求解主泵转子上部、下部径向轴承载荷。
附图说明
图1是叶轮轴向推力载荷相似转换流程图
图2是叶轮径向载荷相似转换流程图
图3是叶轮载荷示意图
具体实施方式:
如图1所示的一种高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换工艺，操作步骤如下：
一、转子轴向推力轴承载荷相似转换：
1)水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM；
测量转轴推力轴承瓦面油膜压差及推力轴承力与压差的滑移梯度，模型泵进口压力与模型水头计算模型泵叶轮轴向水推力：
FM＝Pa*Pcal+(Phc1+P2)*ASM
Pa推力轴承瓦面油膜压差；
Pcal推力轴承力与压差的滑移梯度；
Phc1模型泵水头；
P2模型泵进口压力；
ASM转子密封区域面积；
2)计算叶轮轴向水推力有效作用系数；
Figure GDA0002497788020000081
其中：
FM为模型泵叶轮轴向水推力，模型试验测量；
ρM为模型试验介质密度；
g为重力加速度；
HM为模型泵扬程；
DM为模型泵叶轮外径；
3)如图3所示，真机叶轮水推力换算；
Figure GDA0002497788020000082
其中：
ρP为真机运行工况介质密度；
HP为真机泵扬程；
DP为真机叶轮外径；
二、如图2所示，转子径向轴承载荷相似转换:
1)水力模型试验测得模型泵叶轮径向力FRM与径向力波动△FRM；
2)计算叶轮径向水推力有效作用系数KFR与径向力波动有效作用系数△KFR；
Figure GDA0002497788020000091
Figure GDA0002497788020000092
其中：
FRM为模型泵叶轮径向力，模型试验测量；
△FRM为径向力波动，模型试验测量；
3)真机叶轮径向水推力FRh与径向水推力波动△FRh换算；
Figure GDA0002497788020000093
Figure GDA0002497788020000094
4)水力模型试验测得模型泵叶轮转矩MRM与转矩波动△MRM；
5)计算叶轮转矩有效作用系数KMR与转矩波动有效作用系数△ KMR；
Figure GDA0002497788020000095
Figure GDA0002497788020000096
6)真机叶轮转矩MRh与转矩波动△MRh换算；
Figure GDA0002497788020000101
Figure GDA0002497788020000102
本发明中提出了模型泵轴向力、径向力与真机间的相似转换工艺，并给出主泵转子推力轴承与径向轴承的载荷计算方法，是基于长期的水力设计理论、水力模型试验及经验总结得出。通过核电站长期运行验证，设备维护期间检测评估，均满足规格书的设计要求。

Claims (1)

1.一种高参数立式泵叶轮轴向与径向水推力载荷相似转换方法，其特征是：采用水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM，模型泵叶轮径向力FRM与转矩MRM，计算得出载荷换算有效作用系数，通过有效作用系数换算至真机载荷：
1、转子轴向推力轴承载荷相似转换：
1)水力模型试验测得模型泵叶轮轴向水推力FM；
测量转轴推力轴承瓦面油膜压差及推力轴承力与压差的滑移梯度，模型泵进口压力与模型水头计算模型泵叶轮轴向水推力：
FM＝Pa*Pcal+(Phc1+P2)*ASM
Pa推力轴承瓦面油膜压差；
Pcal推力轴承力与压差的滑移梯度；
Phc1模型泵水头；
P2模型泵进口压力；
ASM转子密封区域面积；
2)计算叶轮轴向水推力有效作用系数；
Figure FDA0002497788010000011
其中：
FM为模型泵叶轮轴向水推力，模型试验测量；
ρM为模型试验介质密度；
g为重力加速度；
HM为模型泵扬程；
DM为模型泵叶轮外径；
3)真机叶轮水推力换算；
Figure FDA0002497788010000021
其中：
ρP为真机运行工况介质密度；
HP为真机泵扬程；
DP为真机叶轮外径；
2、转子径向轴承载荷相似转换:
1)水力模型试验测得模型泵叶轮径向力FRM与径向力波动△FRM；
2)计算叶轮径向水推力有效作用系数KFR与径向力波动有效作用系数△KFR；
Figure FDA0002497788010000022
Figure FDA0002497788010000023
其中：
FRM为模型泵叶轮径向力，模型试验测量；
△FRM为径向力波动，模型试验测量；
3)真机叶轮径向水推力FRh与径向水推力波动△FRh换算；
Figure FDA0002497788010000031
Figure FDA0002497788010000032
4)水力模型试验测得模型泵叶轮转矩MRM与转矩波动△MRM；
5)计算叶轮转矩有效作用系数KMR与转矩波动有效作用系数△KMR；
Figure FDA0002497788010000033
Figure FDA0002497788010000034
6)真机叶轮转矩MRh与转矩波动△MRh换算；
Figure FDA0002497788010000035
Figure FDA0002497788010000036
。
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