冷凝水泵内部流动及底座振动研究

摘要

冷凝水泵被广泛应用于火电、核电、化工、船舶等领域。安全与高效运行是冷凝水泵设计中需考虑的重要因素。冷凝水泵的运行过程，是固体与流体相互作用的过程，在冷凝水泵对流体做功的同时，流体也会对冷凝水泵产生反作用。因此，流动是决定泵性能的内在因素，它不仅会影响泵的扬程和效率等性能参数，还会产生水力激励而影响泵的振动特性。本文从提高冷凝水泵效率和振动性能出发，根据设计参数要求，进行水力和结构设计、泵内复杂流动模拟与分析，研究内部流动对冷凝水泵效率及振动性能的影响；在内流分析结果的基础上，进一步对泵底座开展振动模态分析，深入研究冷凝水泵的振动特性。本文的研究结果将为冷凝水泵的优化设计以及稳定运行提供参照。本文的主要工作和研究结论如下： (1) 根据设计参数，在兼顾冷凝水泵性能和振动要求的前提下，进行冷凝水泵的整体设计。采用基于雷诺时均方程和标准k-ε湍流模型的数值模拟方案对泵内流动进行全流道三维数值模拟，并通过试验验证了数值模拟结果的准确性。 (2) 对泵内部流场进行分析，证实设计工况下泵内部流场质量高，相对于第一级过流部件内的流动状态，第二级过流部件内的流动质量更高。两级叶轮采取背靠背布置方式，平衡了部分轴向力，有利于泵振动性能的提高。在第一级叶轮流道以及第一级蜗壳过渡段内存在高湍动能区域，引起较大的水力损失。 (3) 对泵在非设计工况下运行时的内部流动参数分布进行了对比分析，结果表明小流量工况下叶轮内流动参数分布情况较差；在第一级叶轮进口附近出现回流以及大尺度流动分离等复杂流动结构。同时，各个叶片流道内的流动分布不均匀，导致叶轮承受的径向力增加。在蜗壳流道内，大流量工况下的水力损失大于小流量工况；但与叶轮内的流动相比，蜗壳内的流动分布较为均匀。 (4) 采用有限元分析方法对泵底座进行了振动与模态分析，结果表明：在正常工作状态下，底座的固有频率与电机固有频率存在共振区域，电机驱动侧上下摆振与电机激励重合，存在共振的可能性。通过混凝土二次混凝土或者在底座相关位置增设加强筋板的方法，可大幅度提高底座的固有频率，改善其振动特性。

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