Analisi della resistenza del rotore e della velocità critica di una pompa antincendio verticale ad albero lungo collegata a diverse lunghezze d'albero

Jul 10, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9351 (2022) Citare questo articolo

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La pompa antincendio verticale ad albero lungo (VLSFP) viene utilizzata principalmente in luoghi antincendio lontani dalla terraferma e privi di grandi quantità di approvvigionamento idrico. L'articolo ha selezionato il modello XBC18-178-240LC3 di VLSFP come oggetto di ricerca. Innanzitutto, sono state effettuate le prestazioni idrauliche numeriche sperimentali del VLSFP singolo, quindi le prestazioni idrauliche del VLSFP multiplo sono state analizzate con lo stesso metodo di simulazione numerica del VLSFP singolo. Successivamente, tre modelli di rotore (modello Z4, modello Z5-modello originale e modello Z6) sono stati progettati mediante un software di modellazione, collegati da lunghezza e numero diversi della sezione dell'albero sotto la stessa lunghezza totale degli alberi intermedi. Infine, la forza del rotore e la velocità critica di tre modelli sono state analizzate e verificate tramite la simulazione CFD e il software Workbench. Lo studio ha rilevato principalmente: (1) Attraverso il controllo della resistenza della girante, la sollecitazione massima equivalente dei tre modelli era inferiore alla sollecitazione consentita del materiale del rotore, il che indicava che la loro progettazione strutturale soddisfaceva i requisiti di sicurezza; (2) Attraverso il controllo della velocità critica del rotore ad albero, la velocità di lavoro del VLSFP era inferiore a 0,8 volte la velocità critica di primo ordine dei tre modelli, il che indicava che il rotore poteva evitare la risonanza e la struttura dei tre modelli ha soddisfatto i requisiti di progettazione dinamica. In base al controllo delle sollecitazioni della girante e al controllo della velocità critica dell'asse del rotore, combinando il tempo e il costo della manodopera quando il VLSFP è stato installato e smontato molte volte prima e dopo il test o il funzionamento, il documento ha selezionato il modello Z4 come modello modello ottimale, che potrebbe fornire un supporto teorico per la successiva ottimizzazione della progettazione della struttura della pompa antincendio verticale ad albero lungo.

La pompa antincendio verticale ad albero lungo (VLSFP), utilizzata principalmente in luoghi antincendio lontani dalla terraferma e privi di grandi quantità di approvvigionamento idrico, come piattaforme offshore e pontili, funziona utilizzando l'acqua di mare come fonte idrica antincendio. Presenta i vantaggi di ingombro ridotto, flusso elevato, portanza elevata e avvio rapido. Rispetto alle pompe tradizionali, l'albero della VLSFP è straordinariamente lungo e composto da numerose sezioni dell'albero. Inoltre, la lunghezza dell'albero motore può essere regolabile in base al livello del mare. Quando il livello del mare è inferiore a quello di installazione del sistema di pompaggio, il VLSFP può invertire l'acqua per evitare problemi quali deviazione dell'acqua e cavitazione causati dalla maggiore altezza di aspirazione. Trattandosi di una grande macchina rotante verticale, la stabilità del sistema del rotore è la chiave per la sicurezza del sistema di pompa. Se la velocità di lavoro della pompa supera o si avvicina alla velocità critica, il sistema del rotore vibrerà1,2.

I metodi di analisi dinamica del rotore si basano principalmente sul metodo della matrice di trasferimento e sul metodo degli elementi finiti. Il metodo della matrice di trasferimento è stato proposto da Prohl3, e poi migliorato da Horner e Pilkey4. Da allora sono state condotte ricerche approfondite su di esso5,6,7,8. Tuttavia, a causa dell’eccessiva semplificazione del rotore da parte del metodo della matrice di trasferimento, è difficile garantire l’accuratezza computazionale del modello. In confronto, il metodo degli elementi finiti può elaborare modelli e calcoli complicati9,10. Pertanto, il metodo degli elementi finiti è diventato il metodo preferito per l'analisi dinamica del rotore. Inoltre, nei progetti reali, le pale delle macchine rotanti sono soggette a crepe durante il funzionamento a lungo termine. Molti fattori influenzeranno i guasti dovuti alla fatica della lama, tra cui materiale, struttura, tecnologia di lavorazione, temperatura, pressione, urti esterni e così via11,12,13,14,15.

Nella dinamica dei rotori, anche l'analisi modale e la velocità critica sono al centro della ricerca. Chivens e Nelson16, Heydari e Khorram17 e She et al.18,19 hanno studiato l'influenza della flessibilità del disco sulla velocità critica e sulla frequenza naturale di un sistema albero-disco rotante. Taplak e Parlak20 hanno costruito il modello del rotore di una turbina a gas e hanno adottato il programma Dynrot per ottenere il diagramma Campbell e la velocità critica dei sistemi rotanti per studiare i comportamenti dinamici dei rotori. Castillo et al.21 hanno confermato che il test di impatto era un metodo utile per l'identificazione dei parametri modali dell'elettropompa sommergibile. Minette et al.22 hanno studiato il comportamento dinamico di un'elettropompa sommergibile in condizioni operative installata in un pozzo di prova identificando la sua frequenza naturale e i parametri di smorzamento, utilizzando il metodo esponenziale del complesso dei minimi quadrati. Huang et al.23 hanno studiato il metodo di modellazione dei modi delle pale del rotore della pompa turbomolecolare, proponendo un metodo semplificato del modello modificato delle pale basato sul principio di invarianza di base della massa e del momento di inerzia prima e dopo la semplificazione.