Análise da resistência do rotor e da velocidade crítica de uma bomba de incêndio vertical de eixo longo conectada a diferentes comprimentos de eixo

Jul 10, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9351 (2022) Citar este artigo

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A bomba de incêndio de eixo longo vertical (VLSFP) é usada principalmente em locais de combate a incêndios distantes da terra e com falta de grandes quantidades de abastecimento de água. O artigo selecionou o modelo XBC18-178-240LC3 de VLSFP como objeto de pesquisa. Primeiro, o desempenho hidráulico experimental-numérico do VLSFP único foi realizado e, em seguida, o desempenho hidráulico do multi-VLSFP foi analisado pelo mesmo método de simulação numérica do VLSFP único. Em seguida, três modelos de rotores (modelo Z4, modelo Z5-modelo original e modelo Z6) foram projetados por software de modelagem, conectados por diferentes comprimentos e números de seção do eixo sob o mesmo comprimento total dos eixos intermediários. Finalmente, a força do rotor e a velocidade crítica de três modelos foram analisadas e verificadas por meio da simulação CFD e do software Workbench. O estudo constatou principalmente: (1) Através da verificação de resistência do impulsor, a tensão equivalente máxima dos três modelos foi menor que a tensão admissível do material do rotor, o que indicou que o projeto estrutural deles atendeu ao requisito de segurança; (2) Através da verificação da velocidade crítica do rotor do eixo, a velocidade de trabalho do VLSFP foi inferior a 0,8 vezes a velocidade crítica de primeira ordem dos três modelos, o que indicou que o rotor poderia evitar a ressonância e a estrutura dos três modelos atendeu ao requisito de design dinâmico. De acordo com a verificação de tensão do impulsor e a verificação de velocidade crítica do rotor do eixo, combinando o tempo e o custo de mão de obra quando o VLSFP foi instalado e desmontado muitas vezes antes e depois do teste ou operação, o papel selecionou o modelo Z4 para ser o modelo ótimo, que poderia fornecer um suporte teórico para a subsequente otimização do projeto da estrutura da bomba de incêndio vertical de eixo longo.

A bomba de incêndio vertical de eixo longo (VLSFP), utilizada principalmente em locais de combate a incêndios distantes da terra e com falta de grande abastecimento de água, como plataformas offshore e cais, funciona tomando a água do mar como fonte de água de combate a incêndios. Tem as vantagens de ocupar pouco espaço, grande fluxo, alta elevação e inicialização rápida. Comparado com as bombas tradicionais, o eixo da VLSFP é extraordinariamente longo e composto por muitas seções de eixo. Além disso, o comprimento do eixo de transmissão pode ser ajustado de acordo com o nível do mar. Quando o nível do mar estiver abaixo da instalação do sistema de bombeamento, o VLSFP pode inverter a água para evitar problemas como desvio de água e cavitação causados ​​pela maior altura de sucção. Como uma grande máquina rotativa vertical, a estabilidade de seu sistema de rotor é a chave para a segurança do sistema de bombeamento. Se a velocidade de trabalho da bomba ultrapassar ou se aproximar da velocidade crítica, o sistema do rotor vibrará1,2.

Os métodos de análise da dinâmica do rotor são baseados principalmente no método da matriz de transferência e no método dos elementos finitos. O método da matriz de transferência foi proposto por Prohl3 e aprimorado por Horner e Pilkey4. Desde então, extensas pesquisas foram realizadas sobre ela5,6,7,8. No entanto, devido à excessiva simplificação do rotor pelo método da matriz de transferência, é difícil garantir a precisão computacional do modelo. Em comparação, o método de elementos finitos pode processar o modelo e o cálculo complicados9,10. Portanto, o método dos elementos finitos tornou-se o método preferido para a análise da dinâmica do rotor. Além disso, em projetos reais, as lâminas de máquinas rotativas são propensas a rachaduras durante a operação de longo prazo. Muitos fatores afetarão as falhas por fadiga da lâmina, incluindo material, estrutura, tecnologia de processamento, temperatura, pressão, choque externo e assim por diante11,12,13,14,15.

Em dinâmica de rotores, análise modal e velocidade crítica também são foco de pesquisa. Chivens e Nelson16, Heydari e Khorram17 e She et al.18,19 estudaram a influência da flexibilidade do disco na velocidade crítica e na frequência natural de um sistema eixo-disco rotativo. Taplak e Parlak20 construíram o modelo de um rotor de turbina a gás e adotaram o programa Dynrot para obter o diagrama de Campbell e a velocidade crítica dos sistemas rotativos para investigar comportamentos dinâmicos de rotores. Castillo et al.21 confirmaram que o teste de impacto foi um método útil para identificação de parâmetros modais de bombas submersíveis elétricas. Minette et al.22 investigaram o comportamento dinâmico de uma bomba elétrica submersível em condições operacionais instalada em um poço de teste por meio da identificação de sua frequência natural e parâmetros de amortecimento, utilizando o método Exponencial Complexo de Mínimos Quadrados. Huang et al.23 estudaram o método de modelagem dos modos da pá do rotor da bomba turbomolecular, propondo um método simplificado do modelo modificado da pá baseado no princípio básico da invariância da massa e do momento de inércia antes e depois da simplificação.