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大型给水泵转子流体激振数值计算及其稳定性分析

一、引言

（一）研究背景与工程意义

在现代工业体系中，火力发电厂作为主要的电力生产设施，其安全稳定运行对于保障社会生产生活的电力供应至关重要。大型给水泵作为火力发电厂的核心辅机设备之一，承担着向锅炉连续输送高压水的关键任务，其运行状况直接影响到整个机组的安全与效率。随着电力需求的不断增长，火力发电机组朝着大容量、高参数方向发展，这对大型给水泵的性能提出了更高要求。

为提高泵的效率，减少内部泄漏损失，通常会减小叶轮与密封之间的间隙。然而，实践表明，小间隙虽然在一定程度上提升了泵的效率，但也引发了新的问题。间隙的减小使得流体在密封区域的流动状态变得更为复杂，从而产生了较强的流体激振力。这种流体激振力容易导致给水泵转子发生异常振动，严重时甚至会引发机组的停机事故，对电力生产的连续性和稳定性构成重大威胁。

在实际运行中，因流体激振引发的大型给水泵故障屡见不鲜。据相关统计资料显示，在过去几年间，多起大型火力发电厂的给水泵故障均是由流体激振导致的转子振动异常引起。这些故障不仅造成了设备的损坏，增加了维修成本和停机时间，还对整个电力系统的安全稳定运行带来了不利影响。因此，深入研究大型给水泵转子流体激振问题，揭示其激振机理，对于保障火力发电厂的安全稳定运行具有重要的工程意义。通过有效的数值计算和分析，能够为给水泵的设计优化提供理论依据，降低流体激振风险，提高设备的可靠性和使用寿命，进而提升整个火力发电系统的经济效益和社会效益。

（二）研究目标与核心问题

本研究旨在针对大型给水泵密封环间隙流场诱导的转子振动这一关键问题，通过建立精确的流固耦合模型，深入分析转速、间隙、预旋速度等关键参数对激振力及临界转速的影响规律，构建完善的稳定性评估体系，为大型给水泵的安全稳定运行提供坚实的理论支持和技术指导。

在实现上述研究目标的过程中，需要重点解决以下几个核心问题：首先，如何准确地建立考虑多种复杂因素的流固耦合模型，以真实地模拟密封环间隙流场与转子结构之间的相互作用。这涉及到对流体动力学和结构动力学的深入理解，以及对相关数学模型和数值算法的合理选择与应用。其次，转速、间隙、预旋速度等参数与激振力及临界转速之间存在着复杂的非线性关系，如何通过数值计算和实验研究，准确地揭示这些参数之间的内在联系和影响规律，是本研究的关键难点之一。此外，基于所得到的参数影响规律，如何构建一套科学合理、切实可行的稳定性评估体系，用于准确判断给水泵转子在不同工况下的稳定性状态，并为实际运行提供有效的操作建议和预警信息，也是本研究需要重点解决的问题。

二、大型给水泵转子流体激振理论基础

（一）转子动力学基本原理

轴向力与径向力作用机制：在大型给水泵的运行过程中，轴向力与径向力对转子的稳定运行有着重要影响。轴向力主要源于叶轮两侧的压力差。以单吸式泵为例，在工作时，叶轮吸入侧处于低压区，而排出侧处于高压区，这种压力差会在叶轮上产生一个指向吸入侧的轴向力。这种轴向力若不能得到有效平衡，会导致转子沿轴向发生位移，使轴承承受额外的轴向载荷，进而影响轴承的使用寿命，严重时甚至会引发转子与泵体的摩擦碰撞，损坏设备。

径向力则主要由非对称流场引发。当流体在泵内流动时，由于叶轮与蜗壳或导叶之间的间隙不均匀，或者流体在叶轮进口处的流动状态不一致，会导致叶轮周围的流场分布不对称，从而产生径向力。例如，当叶轮与蜗壳之间的间隙存在局部偏差时，在该偏差区域附近，流体的流速和压力分布会发生变化，形成非对称的压力场，进而产生径向力。径向力的存在会使转子在径向方向上发生偏移，导致轴承的径向载荷不均，加剧轴承的磨损，同时也可能引发转子的横向振动，影响泵的稳定性和可靠性。

转子稳定性关键参数：临界转速、阻尼比、刚度矩阵是衡量转子稳定性的关键参数。临界转速是指转子在旋转过程中，由于自身质量不平衡等因素的影响，会产生共振现象，此时的转速即为临界转速。当转子的工作转速接近或等于临界转速时，振动会急剧增大，可能导致设备损坏。因此，在设计和运行大型给水泵时，必须确保工作转速避开临界转速，一般要求工作转速与临界转速之间保持一定的安全裕度，通常为10%以上。

阻尼比是描述系统阻尼特性的参数，它反映了系统在振动过程中能量耗散的能力。在大型给水泵转子系统中，阻尼主要来源于轴承、密封等部件的摩擦以及流体的粘性阻尼。适当的阻尼可以有效地抑制振动的幅值，提高转子的稳定性。例如，在轴承中使用合适的润滑材料和润滑方式，可以增加阻尼，减小振动。

刚度矩阵则描述了转子系统在受到外力作用时的变形特性。转子的刚度主要由其结构材料和几何形状决定。在密封间隙流场中，流体的作用会为转子提供附加刚度与阻尼。当流体在密封间隙中流动时，会对转子产生一个作用力，这个作用力可以等效为一个附加的刚度和阻尼。这种附加刚度与