化工用多级屏蔽泵的研究

摘要

屏蔽泵属于无密封泵，泵和驱动电机都被封闭在一个被泵输送介质充满的容器内，电机转子和定子用非磁性耐腐蚀薄壁屏蔽套封闭起来，动力通过定子磁场传给转子，转子由前后滑动轴承径向支撑，不需要轴封装置来防止输送介质泄漏。由于多级屏蔽泵具有高扬程、无泄漏等特点，其在有机化学工业、航空航天和航海工程以及能源工程等需求广泛，然而国内此类小流量高扬程的无泄漏泵的开发及研究起步较晚，节能高效、多级结构轴向力平衡、电机内冷却回路设计、轴临界转速以及汽蚀等都是多级屏蔽泵亟待研究的问题嘲。
　　在根据企业需求的基础上，本文设计开发了型号为DBP15-50X8的多级屏蔽泵，为平衡轴向力采用左右各四级叶轮的对称布置结构，通过中间出水段、外筒体以及中间进水段组成通道连结左右各件，转子系统采用四个滑动轴承四点支撑，电机内冷却回路采用逆循环型。本文在设计过程中以及样机试制后针对相关问题进行了研究。主要研究内容及创新点如下:
　　(1)根据某企业提出的设计参数及要求，设计首级叶轮、次级叶轮、导叶和蜗壳等过流部件水力;设计多级屏蔽泵的整体结构和零部件的结构，计算泵的冷却循环回路。
　　(2)运用软件PRO/E对多级屏蔽泵内部的流场区域进行实体建模，运用ICEM-CFD软件实现对多级屏蔽泵流场计算域的网格划分，基于CFD软件对多级屏蔽泵内部全流场进行三维定常数值计算。后处理分析研究了不同工况下泵内流场的压力、速度分布变化规律;计算得到泵的外特性特征。
　　(3)在分析多级屏蔽泵内部流场计算结果的基础上，提出对泵首段结构的优化方案:滑动轴承移到首级叶轮之前，加大进口直径。对优化前后的两种首段结构进行三维建模、划分网格并进行数值计算，验证方案的可行性。分析了优化后进口结构对泵汽蚀性能的影响。
　　(4)对多级屏蔽泵转子系统进行建模，运用ANSYS-CFX和ANSYSWorkbench软件对泵内流场与转子系统进行了单向流固耦合数值模拟，实现了对叶轮及轴等主要转子部件的静力学分析。对优化前后两种方案进行模态分析，计算转子的固有频率，对比分析优化后的变化。
　　(5)分析研究了多级屏蔽泵轴向力产生的因素，将整体轴向力分解成各分力来研究，结合理论公式和模拟提取数值计算各因素产生的轴向力大小，分析各分力随流量和级数的变化。通过叶轮加背叶片平衡轴向力，理论计算背叶片的数量及尺寸，模拟分析轴向力的平衡效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 屏蔽泵的发展

1．2．2 多级屏蔽泵的研究

1．3 主要研究内容

第二章 多级屏蔽泵的设计

2．1 多级屏蔽泵的结构设计

2．2 多级屏蔽泵的水力设计

2．2．1 叶轮设计

2．2．2 径向导叶设计

2．2．3 泵体设计

2．3 冷却循环回路设计

2．4 本章小结

第三章 基于CFD的多级屏蔽泵数值模拟

3．1 数值模拟的基本控制方程

3．1．1 基本控制方程

3．1．2 湍流模型

3．1．3 边界条件设置

3．2 多级屏蔽泵计算模型的建立

3．2．1 造型

3．2．2 网格划分

3．3 流场计算结果及分析

3．3．1 压力场分布

3．3．2 速度场分布

3．3．3 泵内各处流动

3．3．4 多级屏蔽泵外特性预测

3．4 本章小结

第四章 多级屏蔽泵首段结构的研究及优化

4．1 多级屏蔽泵首段结构数值模拟

4．1．1 首段结构计算模型的建立

4．1．2 数值模拟与结果分析

4．2 多级屏蔽泵首段结构优化方案

4．2．1 优化方案的提出

4．2．2 优化方案的验证

4．3 进口汽蚀性能的研究

4．3．1 汽蚀流动计算方法和边界条件

4．3．2 模拟计算结果分析

4．3．3 优化方案汽蚀性能计算

4．4 本章小结

第五章 多级屏蔽泵转子动力学分析

5．1 转子动力学特性研究

5．1．1 转子动力学特性求解

5．1．2 流固耦合场的求解

5．2 基于ANSYS软件的转子动力学分析

5．2．1 转子系统模型的建立

5．2．2 流固耦合与模态计算

5．2．3 流固耦合结果分析

5．2．4 模态分析结果

5．3 优化方案转子模态分析

5．3．1 优化方案模型的建立

5．3．2 计算结果分析

5．4 本章小结

第六章 多级屏蔽泵轴向力分析与平衡

6．1 轴向力起因及理论计算

6．1．1 盖板力A1的计算

6．1．2 动反力T2的计算

6．1．3 电机转子两端压差力T3的计算

6．1．4 轮毂轴端压差力T4的计算

6．2 模拟预测轴向力

6．2．1 外侧盖板力F1

6．2．2 叶轮流道内轴向力

6．3 轴向力平衡

6．3．1 背叶片平衡轴向力

6．3．2 模拟计算轴向力平衡

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究结果总结

7．2 研究工作展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间发表的论文