大型海水淡化高压泵轴向力动态平衡的研究

论文摘要

高压泵是反渗透海水淡化系统中的关键设备。目前,我国绝大多数海水淡化高压泵采用节段式多级离心泵,转子轴向力的平衡都采用自动平衡装置。因此,轴向力平衡装置工作的好坏是直接影响泵可靠运行的主要因素。海水淡化高压泵采用变频调节运行,保持恒流量,泵的出口压力依据反渗透系统要求而定,一般在5.5MPa~6.2MPa范围之内。运用传统的计算方法,往往不能得到准确的轴向力,轴向力平衡装置达不到理想的效果,对泵的稳定运行存在较大的威胁性。因此,准确的计算轴向力是泵高效运行的重要保障。轴向力动态平衡的研究内容是依托“十三五”国家重点项目《大型膜法海水淡化关键设备及部件开发》(2017YFC0403703)中大型海水淡化高压泵的研究课题。通过理论模拟与试验相结合的方法,研究不同转速和流量工况下泵腔压力的分布规律;在此基础上,编制轴向力设计计算程序,并优化设计出轴向力动态平衡装置。主要研究内容有:(1)对海水淡化高压泵的单级模型泵采用数值模拟的方法,研究了高压泵内部流场及不同工况下泵腔内压力分布规律,分析了其内部流场的压力分布、速度分布。结果显示,前、后泵腔沿径向的压力变化趋势一致,在同一半径处前泵腔压力和后泵腔压力大致相同;随流量增加,泵腔压力增大的梯度变大,随转速增加,泵腔压力增大的梯度变小;同时,研究了叶轮与导叶的不对中对泵腔压力分布的影响,不对中不仅会降低泵的扬程和效率,还会不同程度的增加轴向力的大小。(2)对模型泵进行压力分布试验研究,将不同流量、转速工况下泵腔压力分布的规律试验和模拟结果进行对比分析。结果表明:泵腔压力分布规律试验与模拟结果变化趋势大致相同,在小流量工况点模拟与试验的误差较大;对不同工况下,轴向力的模拟值、试验值、理论公式计算值三者进行对比分析,试验值与模拟值的误差较小,试验与理论公式计算值的误差较大。(3)以理论计算为基础,结合试验得到的泵腔压力分布规律,运用vb汇编语言工具编写的轴向力平衡装置设计程序,优化设计了满足工程需求的高效的平衡装置。针对优化的平衡装置运用数值模拟进行内部流场分析,结果显示,数值模拟和理论计算的平衡力误差较小。(4)通过高压泵运转试验,对比不同间隙和不同材料平衡装置回水温升,优选出平衡装置的优质材料;100小时运转试验后,通过高压泵解体检查,验证了平衡装置是可靠的。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 海水淡化泵轴向力研究现状

1.2.2 轴向力平衡方法

1.3 主要研究内容和技术路线

1.3.1 海水淡化高压泵

1.3.2 研究的技术路线

1.3.3 主要研究内容

第二章泵腔压力CFD模拟分析

2.1 数值计算方法

2.1.1 控制方程及湍流模型

2.1.2 求解问题的计算模型

2.2 数值模拟设置

2.2.1 边界条件设置

2.2.2 其他设置

2.3 计算模型的建立和网格划分

2.3.1 模型的建立

2.3.2 网格划分

2.3.3 网格无关性验证

2.4 数值模拟计算结果与分析

2.4.1 额定工况流动特性

2.4.2 不同流量工况流动特性

2.4.3 不同转速工况流动特性

2.5 泵腔压力分布规律分析

2.5.1 泵腔压力分布规律

2.5.2 不同工况泵腔压力分布的分析

2.6 叶轮导叶不对中对泵腔压力分布的影响

2.7 本章小结

第三章泵腔压力分布规律的试验研究

3.1 试验装置的设计

3.2 试验方案及方法

3.2.1 试验方案

3.2.2 试验方法

3.3 试验数据的测量和处理

3.4 试验结果和模拟计算对比和分析

3.4.1 性能分析

3.4.2 泵腔压力的分析

3.5 轴向力的计算

3.5.1 多级离心泵轴向力的组成

3.5.2 海水淡化多级泵轴向力工程实例计算

3.5.3 轴向力模拟值、试验值、理论公式计算值的对比

3.6 本章小结

第四章轴向力平衡装置的优化设计

4.1 轴向力平衡装置的工作原理

4.2 轴向力平衡装置的结构设计

4.2.1 平衡装置的参数计算

4.2.2 平衡装置平衡力计算

4.2.3 平衡装置设计软件

4.3 平衡装置几何尺寸的优化设计

4.3.1 平衡鼓、盘受力分配的优化

4.3.2 平衡装置几何尺寸的优化

4.3.3 平衡装置恢复力

4.4 平衡装置内部流场分析

4.4.1 平衡装置内部流场数值模拟

4.4.2 平衡装置数值模拟轴向力计算结果

4.5 本章小结

第五章高压泵运转试验

5.1 试验内容

5.2 试验回路

5.3 平衡装置回流试验

5.4 平衡鼓间隙的试验

5.5 平衡装置材料配对的优化试验

5.6 本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文和参与的课题项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邱磊

导师: 叶晓琰

关键词: 海水淡化高压泵,泵腔压力分布,数值模拟,轴向力,轴向力平衡装置

来源: 江苏大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 江苏大学

基金: “十三五”国家重点项目《大型膜法海水淡化关键设备及部件开发》(2017YFC0403703)中大型海水淡化高压泵

分类号: P747.5

总页数: 84

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