前言

泵故障的最大原因之一是與轉子-軸承系統相關的問題。如今，泵通常被設計為以更高的速度和負載運行，以提高效率。這些運行的變化，要求在設計階段特別注意轉子動力學分析。這包括對泵的軸承、密封和其它部件的模擬。

有許多泵類型可用于工業應用。這些泵可根據設計、工作原理、特殊功能、工作流體特性、配置（離心式、軸向、螺桿、螺旋式、容積式）等進行分類。對于每種類型的泵，在建模和分析轉子軸承系統方面都存在挑戰。另一方面，對于每臺旋轉機器，許多轉子動力學方法和原理都是相似的。

本文將重點介紹兩種基本類型的離心泵：臥式泵和立式泵，在轉子動力學、軸承和密封模擬方面的常見方法和差異。

立式與臥式泵：設計差異

立式泵和臥式泵之間的主要區別在于軸的方向和形狀。臥式泵有一根水平放置的軸，位于軸承之間或懸臂式位置。立式泵中的軸垂直放置。最常見的立式泵類型是立式渦輪泵 。立式泵（例如VTP）通常具有長而像意大利面條一樣的軸，這些軸通過聯軸器連接到電機（上方或下方），并由頂部或底部的推力軸承支撐。立式泵的另一個設計特點是影響泵動態特性的柱管殼體。這些設計規范在如何進行轉子動力學建模和立式泵分析方面有所不同。

立式泵轉子動力學的不同之處

靈活性

立式泵具有較長的軸，具有更大的靈活性。這些柔性軸具有密集模態和密集的頻率范圍。在這種情況下，可能會發生振幅升高的共振振動，特別是當泵在很寬的轉速范圍內運行時。

立式泵（直管）的殼體結構也很靈活。考慮到這一點，在計算中間徑向軸支架的剛度特性時，應考慮管殼的靈活性以及碗狀組件。此外，立式泵的殼體結構由于其靈活性可能會經歷高振動，因此還應分析直管的頻率。

軸向力

由位于機器頂部的推力軸承支撐的立式懸吊泵，承受由重力載荷產生的軸向拉力。相反，如果推力軸承放置在機器底部，則軸上會產生壓縮力。葉輪的推力對軸的拉力和剛度的貢獻更大。所有這些力都會改變轉子彎曲剛度、固有頻率和臨界速度，因此在機器投入運行之前，通過轉子動力學分析來考慮這些因素非常重要。

軸承和密封

軸承是任何泵中最關鍵的部件之一。軸承支撐軸，并通過保持轉子的平穩旋轉來減少泵運動部件上的摩擦。軸承還為轉子-軸承系統帶來剛度和阻尼。用于泵的軸承可分為徑向（在橫向支撐軸）和軸向（適用于軸向負載）。泵應用中最常見軸承類型是球軸承和滾子軸承、流體動壓油膜（巴氏合金）徑向軸承和瓦塊式推力軸承（軸向推力負載支撐）。

在泵的環境下，密封同樣重要。與軸承一樣，泵密封是轉子-軸承系統剛度、阻尼和額外“質量”系數的來源，這些系數會改變整個系統的動力學。與剛性支撐系統相比，帶有軸承和密封的系統泵的固有頻率有所不同。

與臥式泵相比，立式泵的軸承-密封系統建模不同。一個區別是，在立式泵中支撐長軸的徑向軸承的數量可能很多。在許多情況下，泵中大量的級數會增加軸承的數量 - 軸承的總數可能達到數十個。

第二個區別，可能比上述更重要，是立式泵中的徑向軸承負載較輕（徑向沒有重力），這使得動態軸承系數的估算更加復雜。無負載圓柱軸承是立式泵穩定性問題的一個原因。因此，非線性分析對于準確評估具有長軸和無負載軸承的立式泵的轉子性能至關重要。

最后，在大多數是VTPs的浸沒式泵中，軸承處于加壓環境中，并由泵送介質潤滑，通常帶有污染物。此外，泵送介質混合物可能會改變成分，并且泵的運行工況（轉速）通常是可變的。因此，這些徑向軸承會遭受加速磨損，并且考慮到應用工況的隨機特性，對其特性的預測很復雜。最壞情況模型方法可用于預測動力學和可靠性，以避免嚴重故障。

無論泵類型如何，都應考慮哪些影響？

有些領域的分析是相似的。在立式和臥式泵的轉子動力學分析中應考慮的其它一些重要影響包括：

1）由于葉輪和蝸殼之間的間隙分布不均勻，葉輪位置產生的靜態和動態徑向載荷

2）應在葉輪位置引入的慣性和水力不平衡力

3）葉輪和軸上的有效附加質量

4）干、濕和泵送介質工況，以及軸承和密封分析時考慮的“新”間隙和“磨損”間隙

5）Lomakin效應：在離心泵內耐磨環和節流襯套上產生的力

6）與大多數旋轉機械相似的其它一般效果和技術，并在美國石油學會(API) 684標準中提出

雖然對臥式泵和立式泵進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點，使得轉子動力學分析以及軸承和密封仿真更加復雜。立式泵的主要挑戰與結構和運行規范有關，包括：

1）長軸

2）級數多

3）其軸承和密封

4）無負載徑向軸承

5）重力引起的軸向力

由于這些設計特點，立式渦輪泵更容易出現振動問題和結構/壽命問題。這可能會讓處理此類泵的轉子動力學分析師頭疼。幸運的是，今天的工程師可以使用可用于解決這些令人頭疼的數字工具。通過先進的仿真軟件、動力學標準和技術出版物，可以對這些影響進行建模和分析，以確保設備安全可靠的運行。