复杂环境下泵类流体机械叶轮动态多维力测量关键技术研究

This proposal focuses on the high precision measurement for the multi-component force based on critical components of the pumps fluid machinery under complex environment. In this proposal, the problem of dynamic multi-component integration measurement of the impeller’s axial force, radial force and torque under complex environment is researched. Meanwhile, the spatical six-component force measuring model based on the two-axial piezoelectric sensors is proposed. The mapping relationship between sensors’ number, arrangement type and output component is established Moreover, the high precision compensation method based on multi-sensors’ pose of orthogonal plane and axis is studied to solve the problem of high range ratio under the multi-component decoupling, the dynamic measurement precision is therefore increased. The direct measurement method using the high rigidity and high frequency response force measuring device synchronous rotating with pump’s shaft is researched. The law of start, small flow and other variable conditions of multi-component transient impact loads is revealed. Finally, in order to improve the reliability and robustness of the system against the changing conditions, researches are conducted to obtain the total uncertainty of dynamic multi-component force measurement system. This research will break through the conventional axial force measurement simple method, and support an effective correction method for the multi-component force calculation and simulation. The results may provide significant theoretical basis and novel testing technology for the key component of pumps design and manufacture working in complicated conditions.

面向大型装备中泵类流体机械关键部件设计对叶轮多维力高精度测量的迫切需求，研究复杂环境下泵装置叶轮轴向推力、径向力和扭矩的动态多维力一体化测量难题。提出基于二分量压电式传感器的空间六维力测量模型，建立传感器数量、布置形式及输出分量与叶轮多维力的映射关系；研究基于多传感器布置位姿正交平面与轴系的高精度补偿方法，解决叶轮高量程比力作用下多分量间的解耦难题，提高叶轮动态多维力的测试精度；研究与泵主轴转子同步的高刚度高频响测力装置进行叶轮动态多维力直接测量的方法，揭示启动、小流量等变工况下叶轮所受多维瞬态冲击载荷规律；研究叶轮动态多维力总体测量不确定度分析方法；提高复杂环境下叶轮动态多维力测量的可靠性和鲁棒性。本项目突破常规的单纯轴向推力测量方法，为复杂流场下流体机械叶轮多维力的理论计算及模拟仿真提供有效修正手段，研究成果可为服役在复杂环境下泵装置关键部件的设计制造提供理论依据和新的试验方法。

叶轮机械是核电、石油化工、国防军工等重大装备领域中的关键设备，在复杂的工作环境下叶轮受力问题是影响重大装备安全可靠运行的关键，在某些极端工况下，叶轮产生的瞬态轴向推力将达到上百吨，严重威胁电机、推力轴承和径向轴承等关键部件的安全性和使用寿命。叶轮的径向力使泵主轴受到交变载荷作用，从而产生定向挠度并使轴封间隙不均匀，轴封间隙过大将会导致泵装置的泄漏。因此，泵装置设计时需要对叶轮产生的力进行研究。. 为实现泵装置叶轮动态多维力的测量，研究一种可实现叶轮动态轴向推力、径向力及扭矩一体化的测量方法。泵装置叶轮通常工作在复杂的流场环境下，尤其是启停过程、瞬态变工况及小流量情况下，这就使叶轮叶片上下表面所处的流场环境非常恶劣，叶轮叶片受到复杂多变的冲击载荷作用。然而叶轮所受到的水动力载荷是设计泵装置驱动机构、选择叶轮材料、确定止推轴承结构等的重要参考依据。. 本项目首先采用了有限元分析的方法，针对泵装置叶轮工作环境进行仿真分析，得到了泵装置叶轮在不同工况下的轴向推力，将此仿真结果作为测力装置量程的设计依据。. 所研究的动态多维力测量方法，在基于核主泵模型级试验台基础上，改进泵装置的传动机构，实现了泵装置驱动轴、测力装置及泵轴三者之间高刚度联接设计。对叶轮的工作状态进行受力分析，建立了测量目标与叶轮受力之间的数学关系，确定了叶轮所受水动力载荷的测量实质上是测力装置三个分量力（轴向推力、径向力及扭矩）的测量。研究设计了采用压电式二分量力传感器，并建立了基于压电式二分量力传感器的叶轮三分量力测量数学模型，基于该模型确立了四点支撑的传感器布置方案，并推导了该方案下测力装置的三分量力输出表达式。. 最后对该压电式三分量测力装置进行了静态标定实验，给出了三分量力测力装置静态标定的实验数据。结果表明，所研制的压电式三分量测力装置满足泵装置叶轮动态多维力测量精度要求。