[发明专利]基于计算流体动力学理论的多级离心泵叶轮口环磨损量监测方法

说明书

技术领域

本发明属于设备智能诊断技术领域。

背景技术

口环作为多级离心泵密封的重要组件，在运行过程中磨损是不可避免的。在工程应用中，对于离心泵口环密封的维修采用定期更换的模式，由于不同的离心泵口环劣化速率不一样，采用定期更换的办法会导致维修过剩或生产效率的降低，所以实时监测口环的磨损状况尤其重要。

目前对离心泵口环的研究多集中在对密封结构与性能的优化、口环间隙对转子及口环动力学特性的影响、口环间隙对离心泵整机流场性能的影响等三个方面。陈鱼等人利用实验及计算的方法测得了口环间隙的大小对于离心泵的性能的影响，得出前口环对泵性能的影响比后口环要大，且改变口环间隙对离心泵最优工况的各项指标均有影响的结论。J.Denecke等人分析了密封槽对间隙密封的密封性能的影响，提出密封槽能增大节流面积，提高密封效果。Lomakin等人理论和实验分析了间隙密封处的激振力，提出间隙密封处的激振力会影响转子的临界转-速和稳定性。KurokawaJ等人分析了离心泵前口环间隙对叶轮圆盘摩擦损失的影响，提出增大泄漏量能减小圆盘损失，优化口环间隙能优化离心泵性能。AlexandrinaUntaroiu等人通过对密封间隙流场进行精确建模，验证了通过数值模拟与实验进行结构优化是可行的。关于离心泵监测分析的研究多集中于滚动轴承、汽蚀等故障。如ZekiKiral等人对有缺陷的滚动轴承进行了分析，模拟出缺陷所产生的振动信号。张志刚等人提出了一种基于EMD与谱峭度法的滚动轴承故障特征提取方法。王洋等人利用空化模型分析了离心泵发生汽蚀故障时气泡的产生破灭过程。RichardB.Medvitz等人采用两相流模型分析了汽蚀工况下离心泵的性能参数变化。段向阳等人通过实验探索了离心泵在汽蚀工况下的噪声以及振动信号，提出5kHz以上的高频可以作为离心泵汽蚀的检测依据。窦唯等人根据泵压力脉动情况，提出了叶轮激振力与蜗壳隔舌有关，激振频率为叶轮通过隔舌的频率。由此可见，目前对于离心泵故障的研究集中在离心泵汽蚀、激振力、轴承等故障的研究，对于口环的研究集中在优化口环结构提高口环效率等方面，没有对口环磨损量实时监测方面的研究。

构成计算流体动力学理论的基础为物理学三大定律，这三大定律对流体系统的运动从数学领域描述就构成了流体动力学的基本方程组——Navier-Stokes方程组，该方程组包含有连续性方程、动量方程以及能量方程等三组方程。

随着数值计算方法日趋成熟以及基于计算流体动力学(CFD：ComputationalFluidDynamics)的商业软件的出现，利用CFD对离心泵进行模拟与研究具有可行性。祝磊等人对离心泵关键结构如叶顶间隙、侧壁间隙进行计算，分析其对于离心泵性能的影响等。在这些研究中由于口环间隙比较小且流动比较复杂，在CFD模拟中常常忽略口环间隙，导致研究中无法考虑口环对离心泵的影响。随着计算机硬件技术的发展，计算能力大大提升，对于离心泵整机性能的研究中开始考虑口环间隙存在，使分析口环间隙对离心泵整机流场的影响分析成为可能。如赵伟国等人利用CFD模拟不同口环间隙对离心泵流场分布的影响，分析口环间隙对于离心泵各性能参数的影响。

本发明利用CFD对离心泵进行流场建模，研究分析不同口环间隙下效率、轴向力等参数变化规律，建立多级离心泵效率以及轴向力随着口环磨损的变化曲线，提出一种基于多参数融合的口环磨损量实时监测评价方法，深入分析了受力不平衡、叶轮流道腐蚀、堵塞故障等对口环磨损量监测的影响，使得对于口环磨损量的监测更加准确。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不能对口环磨损进行评估的缺点，提供一套新的可以对口环磨损量进行评估诊断的方法。该方法可以排除诊断过程中其它故障的干扰，提高口环磨损量评估的准确性。

本发明公开了一种基于计算流体动力学理论的多级离心泵叶轮口环磨损量监测方法，包括如下步骤：

1)建立流道模型，基于计算流体动力学理论建立口环间隙流场、叶轮流道模型和蜗壳流道模型，将三者进行装配可得到离心泵的整机流道模型。

2)改变口环间隙尺寸，得到不同口环间隙情况下的整机流道模型，计算不同口环间隙下多级离心泵的效率值，得到效率随口环间隙变化曲线。

3)多级离心泵的效率实时监测，从多级离心泵入口和出口压力变送器以及流量变送器分别读取压力与流量数据，从电机变频器读取电机电压、电流数据，读取电机效率以及功率因数以利用进出口流量、进出口压力、电流、电压、电机效率及功率因素计算多级离心泵实时效率，实现多级离心泵效率实时监测。