周文杰等：口环密封对多级离心泵湿转子横-轴双向耦合动特性的影响 ·1545· 变化很小，以上结果意味着多级离心泵转子系统的 小.从横-轴双向的频谱图中可以看出，横向振动仅 横向及轴向动力学特性计算中，应考虑双向间的耦 包含与转频相一致的频率值66.7Hz,对应的轴向则 合作用效应，尤其是横向振动稳态特性研究 含有343、1107和1663Hz3种不同频率，其中前两 3.1口环密封长度的影响 者是与转子前两阶固频相近的特征频率，后者则是 为研究口环密封长度对转子系统双向耦合振动 轴向稳态振动的动态频率.由机械系统的强迫振动 的影响，本文选取了密封长度L.分别为0.02、0.06、 理论可预知，该稳态振动产生的主要原因是横向运 0.10和0.14m4种情况进行转子双向的瞬态计算， 动效应及各级叶轮和末端平衡盘产生的耦合轴向力 计算结果如图6所示.从图中可以看出，系统横向 含有相同的高频成分，在该频率下转子耦合系统在 振动随着时间的增长其振幅十分稳定，但是振幅随 轴向方向存在着比横向更加高频的往复运动，此外， 着密封长度的增大而逐渐减小，减小的变化量呈现 口环密封参数的变化主要影响系统横向激振力的横 非线性变化.而轴向振动随着时间的增大，各振幅 向运动，对转子轴向动力学特性影响十分有限，进而高 逐渐减小，但是不同密封长度下的振幅幅值区别较 频的轴向稳态振动频率不随其长度的变化而变化. (a15 20 66.7Hz L=0.02m 0.1 343Hz 15 10 -0.3 0 L=0.02m 1107Hz1663Hh 05 15 6 20 10 L=0.06m -0.1 2 0.3 L=0.06m -0.5 5 只15 6 号-0.1 2 10 L=010m 03 L=0.10m 0.5 20 -01 10 A L=0.14 m -0.3 =-014m 05￥ 0 0.51.01.52.02.53.0 500100015002000 00.51.01.52.02.53.0 500100015002000 tis 频率Hz tis 频率Hz 图6不同密封长度横向(a)和轴向(b)瞬态响应图及频谱图 Fig.6 Response and spectrum in lateral (a)and axial (b)directions for different sealing lengths 为进一步研究密封长度-转速-振幅三者之间 振幅/μm 的影响规律，图7绘制了转子横向稳态振幅随口环 2000 14 2500 密封长度和转速变化的对应关系.从图中可以看 12 3000 出，随着转速的减小或密封长度的增加，转子振幅呈 10 3500 现逐渐减小的趋势，但是两者作用的原理不同，前者 4000 是转速减小导致不平衡力的减弱，后者则是因为密 4500 封长度的增大直接增加了密封流体激振力，洛马金 减少 5000 效应俞发明显.此外，较高转速下，振幅减小呈现非 5500 线性变化规律，在密封长度较小时，减小十分明显， 6000 0.020.040.060.080.100.120.14 在密封长度较大时，减小逐渐变缓，意味着高转速下 →减少 L/m 流体激振力并不是线性关系. 图7横向稳态振幅随密封长度与转速的变化 3.2口环密封压差的影响 Fig.7 Lateral steady amplitude for different sealing lengths and rota- ting speeds 口环密封压差作为改变口环密封动特性的影响 因素之一，口环密封压差的变化意味着整个转子系 致的唯一涡动频率说明横向振动为稳定的谐响应. 统操作压力的变化，进而对转子的双向耦合振动产 但是对于轴向振动，与前面改变密封长度的结果不 生明显的影响.本文计算了密封压差△P为2.5、 同，轴向瞬态振动幅值随着压差的增加而增大，尽管 3.0、3.5和4.0MPa4种情况下转子双向耦合振动 轴向振动频率仍然是343、1107和1663Hz3种主要 的动力学特性，从图8可以看出，密封压差的增大会 频率，但是各频率幅值均随着压差的增大而增大，意 显著抑制转子系统的横向振动，横向强迫振动的振 味着系统操作压力的增加对转子系统轴向振动具有 幅随着压差的增大而逐渐减小，频谱图中与转频一 不利影响周文杰等: 口环密封对多级离心泵湿转子横鄄鄄轴双向耦合动特性的影响 变化很小,以上结果意味着多级离心泵转子系统的 横向及轴向动力学特性计算中,应考虑双向间的耦 合作用效应,尤其是横向振动稳态特性研究. 3郾 1 口环密封长度的影响 为研究口环密封长度对转子系统双向耦合振动 的影响,本文选取了密封长度 Ls分别为 0郾 02、0郾 06、 0郾 10 和 0郾 14 m 4 种情况进行转子双向的瞬态计算, 计算结果如图 6 所示. 从图中可以看出,系统横向 振动随着时间的增长其振幅十分稳定,但是振幅随 着密封长度的增大而逐渐减小,减小的变化量呈现 非线性变化. 而轴向振动随着时间的增大,各振幅 逐渐减小,但是不同密封长度下的振幅幅值区别较 小. 从横鄄鄄轴双向的频谱图中可以看出,横向振动仅 包含与转频相一致的频率值 66郾 7 Hz,对应的轴向则 含有 343、1107 和 1663 Hz 3 种不同频率,其中前两 者是与转子前两阶固频相近的特征频率,后者则是 轴向稳态振动的动态频率. 由机械系统的强迫振动 理论可预知,该稳态振动产生的主要原因是横向运 动效应及各级叶轮和末端平衡盘产生的耦合轴向力 含有相同的高频成分,在该频率下转子耦合系统在 轴向方向存在着比横向更加高频的往复运动,此外, 口环密封参数的变化主要影响系统横向激振力的横 向运动,对转子轴向动力学特性影响十分有限,进而高 频的轴向稳态振动频率不随其长度的变化而变化. 图 6 不同密封长度横向(a)和轴向(b)瞬态响应图及频谱图 Fig. 6 Response and spectrum in lateral (a) and axial (b) directions for different sealing lengths 为进一步研究密封长度鄄鄄 转速鄄鄄 振幅三者之间 的影响规律,图 7 绘制了转子横向稳态振幅随口环 密封长度和转速变化的对应关系. 从图中可以看 出,随着转速的减小或密封长度的增加,转子振幅呈 现逐渐减小的趋势,但是两者作用的原理不同,前者 是转速减小导致不平衡力的减弱,后者则是因为密 封长度的增大直接增加了密封流体激振力,洛马金 效应俞发明显. 此外,较高转速下,振幅减小呈现非 线性变化规律,在密封长度较小时,减小十分明显, 在密封长度较大时,减小逐渐变缓,意味着高转速下 流体激振力并不是线性关系. 3郾 2 口环密封压差的影响 口环密封压差作为改变口环密封动特性的影响 因素之一,口环密封压差的变化意味着整个转子系 统操作压力的变化,进而对转子的双向耦合振动产 生明显的影响. 本文计算了密封压差 驻P 为 2郾 5、 3郾 0、3郾 5 和 4郾 0 MPa 4 种情况下转子双向耦合振动 的动力学特性,从图 8 可以看出,密封压差的增大会 显著抑制转子系统的横向振动,横向强迫振动的振 幅随着压差的增大而逐渐减小,频谱图中与转频一 图 7 横向稳态振幅随密封长度与转速的变化 Fig. 7 Lateral steady amplitude for different sealing lengths and rota鄄 ting speeds 致的唯一涡动频率说明横向振动为稳定的谐响应. 但是对于轴向振动,与前面改变密封长度的结果不 同,轴向瞬态振动幅值随着压差的增加而增大,尽管 轴向振动频率仍然是 343、1107 和 1663 Hz 3 种主要 频率,但是各频率幅值均随着压差的增大而增大,意 味着系统操作压力的增加对转子系统轴向振动具有 不利影响. ·1545·