多级矿用抢险排水泵的优化设计及结构分析

摘要

我国煤矿开采量大，煤矿安全设施却相对落后，煤矿透水事件时有发生。在我国，频发的矿山水灾严重影响着我国资源开采以及经济的发展，而大型矿用抢险排水泵是矿井水灾抢险中最为有效的设备之一。大型矿用抢险排水泵是将泵与潜水电机组装在一起的抢险排水设备，它的潜水运行环境决定了启动时无需灌水，运行方便。
　　随着我国经济的发展，对能源的需求日益增加，我国的煤矿开采行业的规模也日益扩大，同时对安全生产的要求也越来越高，因此对多级矿用抢险排水泵的需求也得以迅猛增长。然而，多级矿用抢险排水泵的工作条件比较恶劣，且自身设计及加工技术的局限性，决定了国内矿用抢险排水泵的使用寿命较短。据调查，西德的大型矿井中多级矿用抢险排水泵的平均首次无故障运行时间可达10000h左右，而国内产品平均只有1200h左右，具有明显的差异性，且该泵不稳定运行的工况严重影响了产品的性能以及抢险救灾的效率。
　　本课题研究对象为BQ200-1600/20型多级矿用抢险排水泵，针对泵的扬程、效率较低，中段级间漏水，长时间运行出现抱轴等现象进行水力优化及结构优化。针对轴端残余轴向力过大的结构性缺陷，推力盘轴承需要承受很大的轴向力，特别是级数达到二十级时，甚至会接近推力盘轴承承载的临界值，在运行中破坏推力盘轴承，这将导致转子部件轴向窜动，泵不能正常抢险救灾。本文从完善叶轮导叶的水力设计，轴向力平衡，结构缺陷优化等方面考虑，采用更加合理的方案提高泵的水力性能，平衡轴端轴向力，提出一系列满足设计要求的优化方案。主要工作如下:
　　(1)根据多级矿用抢险排水泵的技术参数的要求，对BQ200-1600/20型多级矿用抢险排水泵的叶轮、导叶水力性能进行优化设计。
　　(2)利用UG软件对泵的水体域进行建模，利用ANASYS中的ICEM组件对泵的水体域划分网格，并用CFX组件进行流体域的计算以及结果处理，将泵BQ200-1600/20的简化模拟外特性结果与实验结果进行对比。
　　(3)用传统经验公式结合数值模拟的方法计算出20级含叶轮的转子系统总轴向力，根据计算结果分析非对称布置结构的具体方案，可抵消大部分轴端轴向力，用切割进口段末级叶轮后盖板的方法可抵消剩余轴向力，并通过几组计算找到最终的切割尺寸。
　　(4)用传统方法计算出泵的第一临界转速，并用ANSYS Workbench组件对转子系统进行干模态的计算，对比对称布置和非对称布置的固有频率和临界转速的差异，论证多级矿用抢险排水泵非对称布置正常运转的可行性。
　　(5)对泵的主要承压过流部件进行结构分析，通过对主要承压段过流部件水体建模，导入ANSYS Workbench的流固耦合模组中计算过流部件的应力变形是否符合运行要求，为同类产品的设计提供可行性参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 本章小结

第2章 多级矿用抢险排水泵的水力设计

2．1 多级矿用抢险排水泵的基本结构

2．2 强排泵的基本参数及运行环境

2．3 强排泵电机介绍

2．4 水力设计

2．4．1 叶轮水力设计

2．4．2 导叶的水力设计

2．5 多级矿用抢险排水泵的全流场计算

2．5．1 全流场结构化网格划分

2．5．2 边界条件

2．5．3 动静耦合问题的处理

2．5．4 网格无关性验证

2．6 后处理结果的分析

2．7 模型与样机的对比

2．7．1 不同级间流场对比

2．7．2 不同流量不同级数叶片压力分布

2．8 本章小结

第3章 平衡轴向力措施及可行性分析

3．1 多级离心泵的轴向力分析

3．1．1 多级泵轴向力不平衡原因

3．1．2 轴向力不平衡原因及危害

3．1．3 平衡轴向力的措施

3．1．4 本文平衡轴向力的措施

3．1．5 轴向力的计算

3．2 切割后盖板方案

3．2．1 切割方案

3．2．2 全流场计算

3．3 流场分析

3．3．1 切割不同尺寸后盖板对叶轮流态的影晌

3．3．2 切割不同尺寸后盖板对后泵腔流场的影响

3．3．3 切割不同尺寸后盖板对导叶流场的影响

3．4 本章小结

第4章 轴的临界转速

4．1 临界转速的介绍

4．1．1 临界转速的概念

4．1．2 固有频率的概念

4．1．3 临界转速和转子偏心的关系

4．1．4 影响临界转速的因素

4．1．5 临界转速的选择

4．1．6 转子剩余不平衡量

4．2 临界转速的传统计算方法

4．2．1 第一临界转速的经验公式

4．2．2 邓克莱法计算临界转速

4．3 临界转速的数值计算方法

4．3．1 基于数值模拟计算临界转速

4．3．2 Workbench的组成

4．3．3 Workbench模态分析计算原理基础

4．3．4 选择模态阶数

4．3．5 模态分析初始化设置

4．3．5 对比分析模态结果

4．4 本章小结

第5章 关键零件的强度校核

5．1 流固耦合原理

5．2 耦合面的数据传递

5．3 流固耦合计算

5．4 结果分析

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究结果总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及及参加的科研工作