[發明專利]一種基于模態分析的多級離心泵環形密封結構設計方法

有效

• 申請號: 202011614140.X
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112765738B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 翟璐璐;盧超;高峰;崔寶玲
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 金祺

1.一種基于模態分析的多級離心泵環形密封結構設計方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1、根據Ⅲ階模態振型分析確定葉輪和軸承所在節點的振動位移量值X_iⅢ；

步驟2、構建振動位移量值集合關于環形密封等效剛度K的函數；

包括：

構建n級離心泵轉子系統上同一節點的Ⅲ階模態振型下的n個葉輪所在質量節點的振動位移量值集合(z₁₁、z₂₁、z₃₁…z_m1)、(z₁₂、z₂₂、z₃₂…z_m2)、(z₁₃、z₂₃、z₃₃…z_m3)……(z_1n、z_2n、z_3n…z_mn)關于環形密封等效剛度K的函數分別為：f_Ⅲ1(k)、f_Ⅲ2(k)、f_Ⅲ3(k)……f_Ⅲn(k)，

構建2個軸承節點的振動位移量值集合(z_1a、z_2a、z_3a…z_ma)、(z_1b、z_2b、z_3b…z_mb)關于環形密封等效剛度K的函數分別為：f_Ⅲa(k)、f_Ⅲb(k)；

步驟3、構造環形密封等效剛度K的評價函數并通過牛頓迭代法得出K的最優解K^※，包括：

步驟3.1、選取n個葉輪最大允許位移量C_yelunmax及2個軸承最大允許位移量C_bmax，C_yelunmax與C_bmax均為常數；

步驟3.2、構造環形密封等效剛度K的評價函數：

步驟3.3、求解環形密封等效剛度K的評價函數的最小值，得到K的最優解K^※：

給定初始點K₀，收斂精度ε，并令n＝0，

1)計算f′(K_n)和f″(K_n)；

2)求

3)若|K_n+1-K_n|≤ε，則求得近似解K^※＝K_n+1，停止計算，否則進行4)；

4)令n←n+1，進行1)；

其中，K_n+1、K_n均為K的最優解的近似點，f′(K_n)為函數f(k)在k＝K_n處的一階導數值，f″(K_n)為函數f(k)在k＝K_n處的二階導數值，n為迭代次數；

步驟4、構造環形密封間隙C和環形密封半徑R的點集并計算，得到擬合函數f_k(R,C)；包括：

步驟4.1、對于n個葉輪的環形密封處間隙依次取n組不同的值，建立環形密封間隙C的取值點集M：

M＝{C₁、C₂、C₃、……、C_n}；

對于n個葉輪的環形密封半徑R依次取n組不同的值：

R_n＝R_輪轂+C_nΔR，其中ΔR＝R_輪-R_輪轂，其中R_輪為葉輪半徑，R_輪轂為輪轂半徑，則：

N＝{R₁、R₂、R₃、……、R_n}；

步驟4.2、建立擬合函數f_k(R,C)如下：

其中A₁、A₂、A₃、A₄為常數；A₁₀、A₁₁、A₁₂、A₁₃、A₁₄、A₁₅、A₁₆均為常數；

步驟5、建立評價函數f_RC，求解f_RC極小值時對應的環形密封間隙C、環形密封半徑R；包括：

步驟5.1、構建R、C、K的最優解的評價函數如下：

f_RC＝|f_k(R,C)-K^※|²；

步驟5.2、求解評價函數極小值時對應的環形密封間隙C和環形密封半徑R，過程如下：

1)取環形密封間隙C和半徑R的初始值C₀和R₀；

2)給定初始點X⁰＝(R₀ C₀)^T，收斂精度ε，置n←0；

3)計算和

4)求Xⁿ⁺¹＝Xⁿ+d^k；

5)檢查收斂精度，若||Xⁿ⁺¹-Xⁿ||ε，則X^※＝Xⁿ⁺¹，停止計算；否則，置n←n+1，返回步驟2)繼續進行搜索；

6)得到環形密封間隙C、環形密封半徑R，經n次迭代，當函數極小值f(X^※)＝0時，極小值點X^※＝(R_n+1 C_n+1)，則環形密封間隙C、環形密封半徑R分別為C_n+1和R_n+1；

其中，為f(X)在近似點Xⁿ處的梯度，為f(X)在Xⁿ點處的海賽矩陣，d^k是第k+1次搜索或迭代方向，Xⁿ⁺¹、Xⁿ均為初始點的下一個近似點。

2.根據權利要求1所述的一種基于模態分析的多級離心泵環形密封結構設計方法，其特征在于，所述步驟1包括：

步驟1.1、根據多級離心泵轉子系統與各轉子部件的幾何參數，建立n級離心泵轉子系統Ⅲ階模態振型，包括n個葉輪所在質量節點：節點1、節點2、.......、節點n，軸承1所在質量節點為節點a，軸承2所在質量節點為節點b，環形密封等效剛度K依次取K₁、K₂、K₃…K_m共m組不同的值；

步驟1.2、以各階環形密封等效剛度K₁、K₂、K₃…K_m為算例，分別進行n級離心泵轉子系統模態分析，n個葉輪、軸承1和軸承2所在質量節點的Ⅲ階的振動位移量為：

X_iⅢ＝(z_i1、z_i2……z_in、z_ia、z_ib)，

其中：i＝1，2，3…m；

z_i1為當環形密封等效剛度分別為K₁、K₂、K₃…K_m為算例時Ⅲ階模態振型中節點1的振動位移量值；

z_i2為當環形密封等效剛度分別為K₁、K₂、K₃…K_m為算例時Ⅲ階模態振型中節點2的振動位移量值；

…

z_in為當環形密封等效剛度分別為K₁、K₂、K₃…K_m為算例時Ⅲ階模態振型中節點n的振動位移量值；

z_ia為當環形密封等效剛度分別為K₁、K₂、K₃…K_m為算例時Ⅲ階模態振型中節點a的振動位移量值；

z_ib為當環形密封等效剛度分別為K₁、K₂、K₃…K_m為算例時Ⅲ階模態振型中節點b的振動位移量值。