異なる軸長を接続した立型長軸消防ポンプのローター強度と臨界速度解析

Jun 24, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9351 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

垂直長軸消防ポンプ（VLSFP）は、主に陸地から遠く離れた大量の水の供給が不足している消火現場で使用されます。 この論文は、VLSFPのXBC18-178-240LC3モデルを研究対象として選択しました。 最初に、単一 VLSFP の水理数値実験が実行され、次にマルチ VLSFP の水理性能が単一 VLSFP と同じ数値シミュレーション手法によって解析されました。 その後、同じ中間シャフト全長のもとでシャフト部の長さと本数を変えて接続した３つのローターモデル（Ｚ４モデル、Ｚ５モデルオリジナルモデル、Ｚ６モデル）をモデリングソフトにより設計した。 最後に、CFD シミュレーションと Workbench ソフトウェアを使用して、3 つのモデルのローターの強度と臨界速度を分析および確認しました。 この研究では主に次のことが判明しました。(1) インペラの強度検査を通じて、3 つのモデルの最大等価応力はローター材料の許容応力よりも小さく、これらのモデルの構造設計が安全要件を満たしていることが示されました。 (2) シャフトローターの臨界速度チェックにより、VLSFP の動作速度は 3 つのモデルの一次臨界速度の 0.8 倍未満であり、ローターが 3 つのモデルの共振と構造を回避できることが示されました。動的な設計要件を満たしました。 インペラの応力チェックとシャフトローターの臨界速度チェックにより、試験または運転の前後に VLSFP を何度も取り付け、分解した場合の時間と人件費を組み合わせて、論文は Z4 モデルを選定しました。最適なモデルは、その後の垂直長軸消防ポンプの構造設計の最適化に理論的な裏付けを提供する可能性があります。

垂直長軸消防ポンプ（VLSFP）は、主に陸上から遠く離れた海上プラットフォームや埠頭などの水の供給が少ない消火場所で使用され、海水を消火水源として作動します。 設置面積が小さく、流量が大きく、揚程が高く、起動が速いという利点があります。 VLSFPのシャフトは従来のポンプに比べて非常に長く、多くのシャフト部分で構成されています。 また、ドライブシャフトの長さは海面に応じて調整可能です。 海面がポンプ システムの設置場所よりも低い場合、VLSFP は水を反転して、吸い込み高さの高さによって引き起こされる水の分流やキャビテーションなどの問題を回避できます。 大型の垂直回転機械として、ローター システムの安定性がポンプ システムの安全性の鍵となります。 ポンプの動作速度が臨界速度を超えるか、臨界速度に近づくと、ローター システムが振動します1、2。

回転子の動力学解析手法には主に伝達行列法と有限要素法が存在します。 伝達行列法は Prohl3 によって提案され、その後 Horner と Pilkey4 によって改良されました。 それ以来、それに関する広範な研究が行われてきました5、6、7、8。 しかし、トランスファーマトリックス法によるローターの過度の単純化により、モデルの計算精度を確保することが困難になります。 それに比べて、有限要素法は複雑なモデルや計算を処理することができます9,10。 したがって、有限要素法はローターダイナミクス解析に推奨される方法となっています。 また、実際のプロジェクトでは、回転機械のブレードは長期間の運転中に亀裂が発生しやすくなります。 材料、構造、加工技術、温度、圧力、外部衝撃などを含む多くの要因がブレードの疲労故障に影響します11、12、13、14、15。

ローターダイナミクスでは、モーダル解析と臨界速度も研究の焦点です。 Chivens と Nelson 16、Heydari と Khorram 17、She ら 18、19 は、回転シャフトディスク システムの臨界速度と固有振動数に対するディスクの柔軟性の影響を研究しました。 Taplak と Parlak20 は、ガス タービン ローターのモデルを構築し、ローターの動的挙動を調査するためにキャンベル線図と回転システムの臨界速度を取得するために Dynrot プログラムを採用しました。 Castillo et al.21 は、衝撃試験が電動水中ポンプのモードパラメータを特定するのに有用な方法であることを確認しました。 Minette et al.22 は、最小二乗複素指数法を使用して固有振動数と減衰パラメータを特定することにより、試験井に設置された運転条件下での電動水中ポンプの動的挙動を調査しました。 Huang et al.23 は、ターボ分子ポンプのロータブレードモードのモデル化方法を研究し、単純化前後の質量と慣性モーメントの基本不変原理に基づいたブレード修正モデルの簡略化方法を提案しました。