高周波振動解析

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20293 (2022) この記事を引用

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高圧多段遠心ポンプは現代の産業で広く使用されており、低振動と低騒音が求められています。 この研究では、7 段遠心ポンプのロータ システムのモーダル解析を、遠心ポンプが共振しないように流体力を導入することによって数値的に実行しました。 流量0.8Qd、1.0Qd、1.2Qdの特性を調べるために振動テストベンチを設置し、10点の測定点の振動データを収集しました。 ベアリングでの振動の周期は約 20 ms であることが判明し、その周期はシャフト周波数 (SF) とブレード通過周波数 (BPF) に関係していました。 ポンプケーシングの振動は主にSF、SFの2倍、BPFの2倍で決まります。 ポンプの振動を引き起こす主な要因は機械的動作ですが、流体の不安定な動作も重要な原因です。

多段遠心ポンプは、高圧液体を供給できる単段遠心ポンプをベースとした流体輸送用の重要な機器であり、農業や工業で広く使用されています1、2、3。 現代の産業界は、多段遠心ポンプの振動に対するより高い要件を提示しています4、5、6。 遠心ポンプの振動の問題は、動作の安全性と安定性に必ず課題をもたらします7、8。 振動解析は、多段遠心ポンプの状態検出と故障診断において重要な役割を果たします9,10。 多段遠心ポンプの振動の問題は主にローター システムに反映されます。 ローター速度が臨界速度に近づくと、共振が発生し、多大な損害を引き起こす可能性さえあります11、12。 ロータシステムの共振を回避することを前提として、多段遠心ポンプの安全な運転を確保するために、その振動特性を研究することは非常に重要です。 しかし、この分野における現在の研究は主に単段渦巻ポンプに焦点を当てており、多段渦巻ポンプに関する報告はほとんどありません。

モード解析は、モード形状、固有振動数、臨界速度を抽出することで渦巻ポンプの共振状態を予測することができ、渦巻ポンプの振動特性を解析する有効な手法です13。 Sendilvelan ら 14 は、さまざまな厚さの遠心ポンプ羽根車のモード解析を実施し、羽根車の固有振動数とモード形状を抽出しました。 He et al.15 は、さまざまな支持剛性を持つ多段遠心ポンプのロータの固有振動と臨界速度を分析し、第 1 および第 2 臨界速度が支持剛性によって大きく影響されることを発見しました。 Tian ら 16 は、サポートの剛性と流体の作用が多段遠心ポンプ ローターの臨界速度に重要な影響を与えることを発見しました。 Ashri ら 17 は、有限要素法を用いて遠心ポンプのインペラの固有振動数とモード形状を研究し、インペラの厚さが固有振動数に大きな影響を与えることを発見しました。 Zhaoら18は、有限要素法により固有振動数と臨界速度を計算することにより、大型遠心ポンプローターシステムの共振特性を研究した。 Ping19 は、数値シミュレーションと実験を組み合わせて、遠心ポンプの段間シール ギャップが臨界速度に及ぼす影響を研究しました。 多くの要因が遠心ポンプ ローターの固有振動数と臨界速度に影響を与える可能性があります。 ただし、流体力とローター システムの制約を考慮する必要があります。

ますます高まる遠心ポンプの動作要件に適応するために、多くの学者が遠心ポンプの振動特性を研究してきました。 加藤ら 20 は、多段遠心ポンプの振動を一方向の流体構造相互作用によって解析し、その振動が主にロータとステータの間の相互作用に起因することを発見しました。 Dai ら 21 は、船舶用遠心ポンプに対する流体励起の影響を研究し、振動の支配的な周波数がブレード通過周波数であることを発見しました。 Jiang et al.22 は、流体構造連成法を使用して 5 段遠心ポンプの振動と騒音を研究しました。 Chen ら 23 は、遠心ポンプによって引き起こされる振動と騒音をモデル化し、渦巻き振動速度の支配的な周波数がブレード通過周波数であることを発見しました。 Rao24 は、遠心ポンプの渦巻きタングの圧力がブレードの通過周波数に大きく影響されることを発見しました。 Guo25 は流体構造連成法を使用して遠心ポンプのローター振動特性を解析し、圧力脈動は周期的な変化を示しました。 これらの研究者らの研究は、遠心ポンプの周波数特性を研究する経験を提供しましたが、研究過程では測定点が少なく、各位置の周波数特性の解析が網羅的ではないという問題もありました。