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

Jun 24, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 9351 (2022) Citar este artigo

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A bomba de incêndio vertical de eixo longo (VLSFP) é usada principalmente em locais de combate a incêndios distantes da terra e sem grandes quantidades de abastecimento de água. O artigo selecionou o modelo XBC18-178-240LC3 do VLSFP como objeto de pesquisa. Primeiro, foi realizado o desempenho hidráulico experimental-numérico do VLSFP único 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. Por fim, a resistência do rotor e a velocidade crítica de três modelos foram analisadas e verificadas através da simulação CFD e do software Workbench. O estudo constatou principalmente: (1) Através da verificação de resistência do impulsor, a tensão máxima equivalente dos três modelos foi menor que a tensão admissível do material do rotor, o que indicou que o projeto estrutural deles atendeu aos requisitos 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 da 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 jornal selecionou o modelo Z4 para ser o modelo ideal, 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 sem grandes quantidades de abastecimento de água, como plataformas offshore e cais, funciona utilizando 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 é composto por muitas seções de eixo. Além disso, o comprimento do eixo de transmissão pode ser ajustável de acordo com o nível do mar. Quando o nível do mar é inferior ao da instalação do sistema de bombeamento, o VLSFP pode inverter a água para evitar problemas como desvio de água e cavitação causada pela maior altura de sucção. Sendo uma grande máquina rotativa vertical, a estabilidade do seu sistema de rotor é a chave para a segurança do sistema de bomba. 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 baseiam-se principalmente no método da matriz de transferência e no método dos elementos finitos. O método da matriz de transferência foi proposto por Prohl3 e posteriormente aprimorado por Horner e Pilkey4. Desde então, extensas pesquisas foram realizadas sobre o assunto5,6,7,8. Porém, devido à simplificação excessiva do rotor pelo método da matriz de transferência, é difícil garantir a precisão computacional do modelo. Em comparação, o método dos elementos finitos pode processar o modelo e cálculo complicados9,10. Portanto, o método dos elementos finitos tornou-se o método preferido para análise da dinâmica do rotor. Além disso, em projetos reais, as pás das máquinas rotativas estão sujeitas a rachaduras durante a operação a 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.

Na dinâmica de rotores, a análise modal e a 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 frequência natural de um sistema eixo-disco giratório. Taplak e Parlak20 construíram o modelo de rotor de turbina a gás e adotaram o programa Dynrot para obter o diagrama de Campbell e a velocidade crítica dos sistemas rotativos para investigação do comportamento dinâmico dos rotores. Castillo et al.21 confirmaram que o teste de impacto foi um método útil para identificação de parâmetros modais de bombas elétricas submersíveis. Minette et al.22 investigaram o comportamento dinâmico de uma bomba elétrica submersível em condições operacionais instalada em um poço de teste, identificando 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 das pás do rotor da bomba turbomolecular, propondo um método simplificado do modelo modificado das pás baseado no princípio básico de invariância da massa e do momento de inércia antes e depois da simplificação.