立式和卧式离心泵的轴承和转子动力学分析

前言
泵故障的最大原因之一是与转子-轴承系统相关的问题。如今，泵通常被设计为以更高的速度和负载运行，以提高效率。这些运行的变化，要求在设计阶段特别注意转子动力学分析。这包括对泵的轴承、密封和其它部件的模拟。有许多泵类型可用于工业应用。这些泵可根据设计、工作原理、特殊功能、工作流体特性、配置（离心式、轴向、螺杆、螺旋式、容积式）等进行分类。对于每种类型的泵，在建模和分析转子轴承系统方面都存在挑战。另一方面，对于每台旋转机器，许多转子动力学方法和原理都是相似的。本文将重点介绍两种基本类型的离心泵：卧式泵和立式泵，在转子动力学、轴承和密封模拟方面的常见方法和差异。
立式与卧式泵：设计差异
立式泵和卧式泵之间的主要区别在于轴的方向和形状。卧式泵有一根水平放置的轴（见图1），位于轴承之间或悬臂式位置。立式泵中的轴垂直放置。最常见的立式泵类型是立式涡轮泵 （VTP），见图2。立式泵（例如VTP）通常具有长而像意大利面条一样的轴，这些轴通过联轴器连接到电机（上方或下方），并由顶部或底部的推力轴承支撑。立式泵的另一个设计特点是影响泵动态特性的柱管壳体。这些设计规范在如何进行转子动力学建模和立式泵分析方面有所不同。



图1：卧式多级蜗壳离心泵（BB3）



图2：多级立式涡轮泵
立式泵转子动力学的不同之处
灵活性
立式泵具有较长的轴，具有更大的灵活性。这些柔性轴具有密集模态和密集的频率范围。在这种情况下，可能会发生振幅升高的共振振动，特别是当泵在很宽的转速范围内运行时。立式泵（直管）的壳体结构也很灵活。考虑到这一点，在计算中间径向轴支架的刚度特性时，应考虑管壳的灵活性以及碗状组件。此外，立式泵的壳体结构由于其灵活性可能会经历高振动，因此还应分析直管的频率。
轴向力
由位于机器顶部的推力轴承支撑的立式悬吊泵，承受由重力载荷产生的轴向拉力。相反，如果推力轴承放置在机器底部，则轴上会产生压缩力。叶轮的推力对轴的拉力和刚度的贡献更大。所有这些力都会改变转子弯曲刚度、固有频率和临界速度，因此在机器投入运行之前，通过转子动力学分析来考虑这些因素非常重要。


图3：卧式离心泵（FE转子动力学模型）
轴承和密封
轴承是任何泵中最关键的部件之一。轴承支撑轴，并通过保持转子的平稳旋转来减少泵运动部件上的摩擦。轴承还为转子-轴承系统带来刚度和阻尼。用于泵的轴承可分为径向（在横向支撑轴）和轴向（适用于轴向负载）。泵应用中最常见轴承类型是球轴承和滚子轴承、流体动压油膜（巴氏合金）径向轴承和瓦块式推力轴承（轴向推力负载支撑）。在泵的环境下，密封同样重要。与轴承一样，泵密封是转子-轴承系统刚度、阻尼和额外“质量”系数的来源，这些系数会改变整个系统的动力学。与刚性支撑系统相比，带有轴承和密封的系统泵的固有频率有所不同。与卧式泵相比，立式泵的轴承-密封系统建模不同。一个区别是，在立式泵中支撑长轴的径向轴承的数量可能很多。在许多情况下，泵中大量的级数会增加轴承的数量 - 轴承的总数可能达到数十个。图3给出了需要对多少个元素进行建模才能获得准确的转子动态结果的想法。长轴、增加的公差和与大量径向轴承的不对中的客观组合，可能导致轴承刚度的快速非线性变化，其中轴线接近轴承壁。第二个区别，可能比上述更重要，是立式泵中的径向轴承负载较轻（径向没有重力），这使得动态轴承系数的估算更加复杂。无负载圆柱轴承是立式泵稳定性问题的一个原因。因此，非线性分析对于准确评估具有长轴和无负载轴承的立式泵的转子性能至关重要。最后，在大多数是VTPs的浸没式泵中，轴承处于加压环境中，并由泵送介质润滑，通常带有污染物。此外，泵送介质混合物可能会改变成分，并且泵的运行工况（转速）通常是可变的。因此，这些径向轴承会遭受加速磨损，并且考虑到应用工况的随机特性，对其特性的预测很复杂。最坏情况模型方法可用于预测动力学和可靠性，以避免严重故障。点击查阅--2023年化工专业技能培训课程汇总无论泵类型如何，都应考虑哪些影响？
有些领域的分析是相似的。在立式和卧式泵的转子动力学分析中应考虑的其它一些重要影响包括：
1）由于叶轮和蜗壳之间的间隙分布不均匀，叶轮位置产生的静态和动态径向载荷2）应在叶轮位置引入的惯性和水力不平衡力3）叶轮和轴上的有效附加质量4）干、湿和泵送介质工况，以及轴承和密封分析时考虑的“新”间隙和“磨损”间隙5）Lomakin效应：在离心泵内耐磨环和节流衬套上产生的力6）与大多数旋转机械相似的其它一般效果和技术，并在美国石油学会(API) 684标准中提出
虽然对卧式泵和立式泵进行建模和分析的方法通常相似，但立式泵具有其自身的一系列特点，使得转子动力学分析以及轴承和密封仿真更加复杂。立式泵的主要挑战与结构和运行规范有关，包括：
1）长轴2）级数多3）其轴承和密封4）无负载径向轴承5）重力引起的轴向力
由于这些设计特点，立式涡轮泵更容易出现振动问题和结构/寿命问题。这可能会让处理此类泵的转子动力学分析师头疼。幸运的是，今天的工程师可以使用可用于解决这些令人头疼的数字工具。通过先进的仿真软件、动力学标准和技术出版物（例如下面的参考文献1和2），可以对这些影响进行建模和分析，以确保设备安全可靠的运行。
参考文献
1）API 684, 2019. API Standard Paragraphs. Rotordynamic Tutorial: Lateral Critical Speeds, Unbalance Response, Stability, Train Torsionals, and Rotor Balancing, American Petroleum Institute, Washington, DC, USA.2）API 610, 2010. Centrifugal Pumps for Petroleum, Petrochemical and Natural Gas Industries, American Petroleum Institute, Washington, DC, USA.3）SoftInWay Rotor Dynamics and Bearings User Manual: softinway.com/ software-applications/ rotor-dynamics/
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