详情

原文传递船用混流式风机的低振动结构和制造工艺研究

论文题名：	船用混流式风机的低振动结构和制造工艺研究
关键词：	船用混流式风机;结构设计;制造工艺;振动控制
摘要：	低振动风机在船舶上有着重要的应用，其振动水平不但直接关系到船员的生活质量，还关系到船舶的航行隐蔽性。风机作为船舶通用设备，其结构设计和气动设计研究相对充分，但面对船舶领域日益迫切的减振降噪要求，常规的风机结构及其制造工艺已经难以满足船舶振动控制的需求。　　论文针对低振动船用风机设计与制造需求，通过优化振动传递路径、增加风机结构刚度等方法，配合低振动风机气动设计结果，提出了一种低振动混流式风机结构，该结构由混流式叶轮和导叶组成，电机置于导叶内部，具有体积小、结构刚度大、振动响应小的特点。在低振动基础上，研究高精度过流部件制造工艺和特征线谱控制技术，控制振动激励源，进而实现船用风机的振动噪声控制。论文主要工作如下：　　首先，在提出低振动混流式船用风机结构基础上，借助有限元分析手段对风机整机的结构模态、风机壳体结构强度和叶轮的结构强度进行了分析计算。计算结果显示，风机叶轮壳前端法兰和导叶内圈出口附近会有较大的共振风险，通过对叶轮壳体和导叶局部结构加强的方法，成功避开了1100Hz附近共振点。壳体结构强度分析结果表明，风机壳体结构应力远小于材料许用应力，容易满足风机设计需求。叶轮强度分析结果表明，叶轮在额定转速下，叶根与轮毂连接处的应力最大，存在风险，在结构优化中可通过增加倒角，减小局部应力，使其满足船用风机转速设计需求。　　其次，对船用混流风机的低振动制造工艺进行了研究，通过提高铸件精度、提高流道表面光洁度的方式，形成了面向低振动船用风机的工艺路线，确定各零部件的加工制造、装配调试方法，并实现了3D打印技术与熔模精密铸造技术相结合的样机制造工艺。采用C型进气侧试验法对船用风机的气动性能进行测试，额定流量状态下，压力实测值与理论计算值偏差3%，符合设计要求。采用基于LabView和MATLAB平台开发，具有振动数据的采集、信号处理等功能的分析软件，测试结果显示，风机振动幅值最大频率是48.6Hz和1119Hz，分别对应于轴频和结构共振，为特征线谱的控制提供了支撑。　　再次，针对风机样机轴频振动能量占比高的问题，结合现有风机轴频抑制技术，提出一种转子动平衡工艺来实现轴频的抑制。通过结合单叶轮的静态平衡配重、单面平衡配重、双面平衡配重、转子系统和整机的双面动平衡配重，提高了转子系统中各个部件的残余平衡匹配性，风机运转过程中轴频和轴频的倍频振动大幅减小，风机轴受力更均匀，寿命更高。结果表明，通过这种动平衡方法，轴频振动加速度幅值下降了19.3%。　　最后，针对船用混流风机的振动现象抑制问题，提出了一种抑制振动的局部结构改进方法。通过模态计算、力锤敲击测试和启停测试的分析方法，准确找到共振点，并且提出了结构改进方案。结果表明，风机的结构振动主要是由叶轮壳前端法兰和导叶内圈出口强度不足引起的，通过对结构局部加强，原有共振频率附近最高线谱振动加速度幅值下降了11.9%。　　论文在提出一种低振动响应的混流式风机结构基础上，提出高精度过流部件制造、装配与转子动平衡工艺，并通过结构模态分析、振动测试和局部结构改进，控制风机振动激励源，技术已用于低振动低噪声船用风机系列产品，应用效果显示其振动噪声控制效果明显。
作者：	叶豪杰
专业：	动力工程
导师：	吴大转;李军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022