本文關鍵詞：超低比轉速自平衡多級離心泵水力優(yōu)化與結構分析，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超低比轉數(比轉速ns≤30)自平衡多級離心泵廣泛應用于石油、化工、農業(yè)、礦業(yè)、電力等重要領域。但這類泵水力部件相對狹長的特點決定了其效率相對較低,耗能巨大,因此優(yōu)化設計節(jié)能高效的超低比轉速多級離心泵水力部件很有必要。由于采用轉子對稱布置結構,級數多、跨距大,在運行過程中,容易引發(fā)轉子結構發(fā)生變形破壞,特別當轉速與轉子臨界轉速相近或相同時將會發(fā)生共振,嚴重影響泵的安全可靠運行。因此,對超低比轉數自平衡多級離心泵進行靜力學和動力學分析具有重要的工程實用價值。本文主要研究內容和成果如下:(1)泵水力優(yōu)化。建立超低比轉速自平衡多級離心泵兩級的三維全流場水體模型。通過定義葉輪、泵腔、導葉揚程及效率的概念和公式,分別分析葉輪、泵腔、導葉內能量轉換與流動損失情況,得出影響原模型性能的主要因素為葉輪與導葉的匹配,次要因素為葉輪內的流動損失。提出取導葉喉部進口絕對速度為葉輪出口絕對速度的一半來計算導葉喉部面積,并逐步優(yōu)化設計出一流道式導葉,通過調整葉片型線優(yōu)化流道過流面積消除葉輪流道內漩渦。優(yōu)化后的葉輪與導葉各處速度變化均勻緩慢,大大降低了流動損失。將性能較優(yōu)的模型進行制造和測試,測試結果表明,優(yōu)化后方案的額定工況下平均單級揚程提高了8.1m,效率提高3.2%,達到了清水多級離心泵的國家標準,取得了較好的優(yōu)化效果。并將數值模擬結果與試驗結果進行了對比,分析了兩者的差異,為進一步優(yōu)化改進超低比轉速自平衡多級離心泵的水力設計方法提供了設計思路與參考。(2)泵轉子靜力學分析。對泵軸進行了扭轉強度和疲勞強度的校核,分析結果顯示,泵軸最大剪應力和最大等效應力均小于相應的許用剪應力和屈服極限,滿足了扭轉強度和疲勞強度要求。分析了泵轉子變形,得出最大變形發(fā)生在第四級葉輪的下方外徑邊緣處,且變形量小于葉輪和導葉之間間隙,得出葉輪口環(huán)處變形量小于葉輪與口環(huán)間隙。即葉輪與導葉、葉輪與口環(huán)均不會在轉子運行過程中發(fā)生干涉碰撞。但節(jié)流軸套處的變形量略微超過了節(jié)流軸套和節(jié)流套之間的間隙,與泵實際運行后拆開檢示所發(fā)現節(jié)流套有磨損的情況一致,故建議節(jié)流套采用耐磨材料和公差配合以保證控制高壓水的泄漏量和泵轉子的運行可靠性。(3)泵轉子動力學分析。分別計算了泵轉子在干態(tài)無流場預應力、干態(tài)有流場預應力和濕態(tài)三種情況下的前八階正反進動固有頻率,分析了發(fā)生各階振動時泵轉子可能的振動形式和三種情況下相同階次正反進動固有頻率的差異。對比三種情況下各個階次固有頻率變化率,得出流場預應力能略微提高泵轉子各個階次的固有頻率,而濕態(tài)則會顯著降低泵轉子各個階次的固有頻率。對比三種情況下不同階次對應的振型圖,得出流場預應力不改變各階正反進動的振動形式和振動方向,但影響某些階次下最大振幅出現的位置。與干態(tài)相比,濕態(tài)下水的附加質量、粘性和阻尼等不改變各階正反進動的振動形式和最大振幅出現的位置,但會對振動方向產生影響。對比分析三種情況下各個階次對應的最大振幅,得出流場預應力不影響各階反進動的最大振幅,但會顯著抑制各階正進動最大振幅,而濕態(tài)下水的附加質量、粘性和阻尼同時抑制了各階正反進動最大振幅。流場預應力和濕態(tài)下水的附加質量、粘性和阻尼對不同階次轉子發(fā)生相同彎曲振動的最大振幅沒有影響。無論干態(tài)還是濕態(tài)發(fā)生扭轉振動的最大振幅數值是各階中最高的。泵轉子在額定轉速運行時,最接近真實請況的濕態(tài)下一階正進動彎曲振動臨界轉速和一階扭轉振動臨界轉速均處于發(fā)生共振的危險范圍之外,表明超低比轉速自平衡多級離心泵轉子的結構設計合理安全可靠,運行過程中不存在發(fā)生共振的可能。在干態(tài)有流場預應力模態(tài)分析的基礎上對轉子進行不平衡激勵力的諧響應計算和分析。對不同葉輪相同位置分別加載相同大小和方向的不平衡激勵力后,泵轉子對第四級和第八級葉輪存在的不平衡量最為敏感,且轉子節(jié)流軸套的響應幅值最大,最大幅值出現在一階正進動彎曲振動臨界轉速處,說明轉子不同位置施加不平衡激勵力時,不會改變臨界轉速的大小,但會造成轉子響應最大幅值發(fā)生變化。對同一葉輪加載不同大小不平衡激勵力,節(jié)流軸套處的最大幅值隨著不平衡激勵力的增加而顯著增大,且都是在一階正進動彎曲臨界轉速處達到峰值,說明同一位置施加不同大小的不平衡激勵力不影響臨界轉速的大小。同時存在兩個同向不平衡激勵力下的節(jié)流軸套響應幅值明顯大幅增加,同時存在兩個反向不平衡激勵力下的節(jié)流軸套響應幅值則低于只存在單個不平衡激勵力情況,三種情況下的響應最大幅值都發(fā)生在一階正進動彎曲臨界轉速處,說明同時存在兩個相位相同或相反的不平衡激勵力不影響臨界轉速的大小。
【關鍵詞】：多級離心泵 水力優(yōu)化設計 結構分析
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH311
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-15
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內外研究現狀及發(fā)展趨勢13-14
• 1.2.1 國內外研究現狀13-14
• 1.2.2 發(fā)展趨勢14
• 1.3 研究主要內容14-15
• 第二章 多級離心泵水力設計概述15-18
• 2.1 葉輪的水力設計15-16
• 2.2 導葉的水力設計16-17
• 2.3 小結17-18
• 第三章 超低比轉速自平衡多級離心泵內部流場數值模擬18-41
• 3.1 計算流體動力學原理18-19
• 3.2 原始設計方案分析19-26
• 3.2.1 三維建模19-21
• 3.2.2 網格劃分21-23
• 3.2.3 計算設置23
• 3.2.4 外特性分析23-25
• 3.2.5 內流場分析25-26
• 3.3 優(yōu)化設計方案一26-31
• 3.3.1 CFD模型建立26-29
• 3.3.2 外特性分析29
• 3.3.3 內流場分析29-31
• 3.4 優(yōu)化設計方案二31-35
• 3.4.1 CFD模型建立31-32
• 3.4.2 外特性分析32-34
• 3.4.3 內流場分析34-35
• 3.5 不同工況下三方案三種效率模擬性能曲線對比分析35-37
• 3.6 各方案模擬預測性能曲線對比分析37-38
• 3.7 試驗驗證與對比分析38-40
• 3.8 小結40-41
• 第四章 超低比轉速自平衡多級離心泵轉子靜力分析41-46
• 4.1 轉子靜力學分析設置41-43
• 4.2 泵轉子強度分析43-44
• 4.3 泵轉子變形分析44-45
• 4.4 小結45-46
• 第五章 超低比轉速自平衡多級離心泵轉子模態(tài)分析46-80
• 5.1 模態(tài)分析理論基礎47-48
• 5.2 干態(tài)無流場預應力下固有頻率計算與分析48-57
• 5.3 干態(tài)有流場預應力下固有頻率計算與分析57-66
• 5.4 濕態(tài)下固有頻率計算與分析66-77
• 5.5 臨界轉速計算及分析77-78
• 5.6 小結78-80
• 第六章 超低比轉速自平衡多級離心泵轉子諧響應分析80-85
• 6.1 諧響應分析理論基礎80
• 6.2 不同位置加載單個不平衡激勵力的諧響應分析80-82
• 6.3 同一位置加載不同大小不平衡激勵力的諧響應分析82-83
• 6.4 雙不平衡激勵力的諧響應分析83-84
• 6.5 小結84-85
• 第七章 總結和展望85-88
• 7.1 總結85-87
• 7.2 展望87-88
• 作者攻讀碩士學位期間參加的科研項目和發(fā)表的相關論文88-89
• 致謝89
• 參考文獻89-91

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