低振船用离心泵叶轮及浮筏优化设计

摘要

船用离心泵是舰船广泛应用的辅机设备，对舰船的正常运行起着关键作用，但其运行过程中可能产生的过量振动不仅对工作环境的舒适性造成困扰，甚至可能威胁到舰船的安全性。鉴于舰船运行时处于独特环境，船用离心泵低振设计研究亟为重要。目前流动诱导振动和浮筏是船用离心泵研究的热点与难点，因此，本文在降低船用离心泵流动诱导振动的基础上，进一步对浮筏进行优化设计，以减少船用离心泵振动。本文主要工作和研究成果如下： 1．概述了目前船用离心泵的研究现状，介绍泵内流动诱导振动的相关研究，并回顾浮筏研究进展。 2．以叶轮出口直径D2、出口宽度b2、出口安放角β2、叶轮叶片包角φ和叶片数z为变量，以三个工况下加权平均效率最高、底座测点处最大振动烈度最小为目标，基于拉丁超立方法对一比转速为66.7的船用离心泵进行数值优化，并进行试验验证。研究结果表明：（1）数值优化后，蜗壳出口测点P1在0.8Qd下压力脉动Cp的极值从0.082降低到了0.063;1.0Qd 下由0.047降低到了0.035；1.2Qd下由 0.052 降低到了 0.041。0.8Qd下叶轮径向力峰峰值由 15.8N 下降到14.2N；1.0Qd下维持在11.0N附近；1.2Qd下由17.9N下降到14.1N。0.8Qd下叶轮轴向力由368N降至251N；1.0Qd下由334N降至176N；1.2Qd下由382N降至272N。（2）优化后，0.8Qd、1.0Qd和1.2Qd工况下加权平均效率的试验值提高4.3个百分点，底座4个测点M1-M4的最大振动烈度由0.36 mm·s-1下降到0.25 mm·s-1。（3）优化后，连接板测点处M5-M8的最大振动烈度由0.80mm·s-1降至0.64 mm·s-1；进口法兰处测点M9由0.78 mm·s-1下降到0.50 mm·s-1；泵体处测点M10由0.38 mm·s-1降至0.25mm·s-1；泵端托架处测点M11由 0.39 mm·s-1降至0.18mm·s-1；出口法兰处测点M12由0.60mm·s-1降至0.15 mm·s-1。 3．试验研究了浮筏对船用离心泵振动水平的影响，结果表明：（1）加载浮筏后，测点M1-M4的最大振动烈度由0.25 mm·s-1降至0.03 mm·s-1。（2）加载浮筏后，测点M1-M4的振动频谱中主频上振动速度最大值由0.24 mm·s-1降低到0.04 mm·s-1；测点M5-M8的最大振动烈度由0.64 mm·s-1降至0.62 mm·s-1；测点M9由0.50 mm·s-1下降到0.16 mm·s-1；测点M10由0.25 mm·s-1升至0.49 mm·s-1；测点M11由0.18 mm·s-1升至0.23 mm·s-1；测点M12由 0.15mm·s-1升至0.27mm·s-1。 4．以浮筏正面开腔体的正长l1、正宽w1、正厚t1、空腔体的侧长l2、侧宽w2和侧厚t2等六个参数为设计变量，基于拉丁超立方法对船用离心泵浮筏进行了结构优化。数值研究表明：（1）方案 6的底座测点M1-M4 最大振动烈度最小，减小了37.1%；质量降低1.2%。方案8的质量最小，下降4.3%；测点M1-M4最大振动烈度减小了30.2%。（2）与原方案相比，优化方案6的前三阶固有频率分别提升了0.51%、1.00%、6.56%；方案8前三阶固有频率分别提升了3.24%、1.85%、1.88%。（3）优化方案6和8振级落差由14.2dB分别提升到22.6dB和21.8dB，提升了59.2%和53.5%。

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