热水循环泵热—结构耦合及机械密封腔强化传热的研究

摘要

热水循环泵广泛应用于石油化工、电力行业以及日常生活中，一般输送介质温度高于室温。在使用过程中经常出现泵体结构应力集中、机械密封泄漏，轴承卡死、失效等问题，影响泵运行的稳定性和可靠性，从而影响整台机组的工作效率。由于热水循环泵在运行过程中介质温度对泵壳强度、机械密封和轴承腔散热效果均有很大的影响，本文利用数值计算的方法对热水循环泵进行热-结构强度和机械密封强化传热的研究，目的是提高该泵的可靠性和稳定性，并为其结构的合理设计提供理论依据。主要研究内容及创新点有:
　　(1)将热水循环泵机械密封热平衡方程理论计算得到的对流换热系数值，作为该泵机械密封环稳态温度场计算的热边界条件，在此基础上利用ANSYS-Workbench软件对其温度场计算，并结合折半查找法确定机械密封动静环端面摩擦热量的分配。
　　(2)利用CFX对热水循环泵全流场流体域进行流热耦合计算，将机械密封动静环端面摩擦热量和输送介质温度作为流热耦合计算的热边界条件。计算并分析了额定工况下，介质温度对热水循环泵外特性、流体域温度场、绝对压力和机械密封腔热流密度的影响。同时也对相同介质温度情况下，流量大小对其流热耦合结果的影响进行了计算。结果表明:热水循环泵流体域温度最高值出现在机械密封摩擦端面处，介质湿度对泵的扬程和水力效率有一定的影响，在高温泵水力设计过程中要考虑介质温度对其水力性能的影响。
　　(3)在Thermal-Stress模块中，将流体域流热耦合计算得到的压力场和温度场数据耦合到泵壳固体域相应位置中，对额定运行工况下介质温度不同时热水循环泵泵壳固体域进行热-结构耦合求解，同时也对相同介质温度情况下热水循环泵不同运行工况下的泵壳固体域进行相关求解，分析了介质温度和流量大小对泵壳应力应变静力学的影响，并确定了应力集中危险区出现的介质温度值。结果表明:温度载荷作用下泵壳的应力应变值和所有载荷综合作用值相差不大，在进行泵结构强度分析过程中不可忽略高温介质对其结构强度的影响。
　　(4)从强化传热和场协同的角度，探究了热水循环泵机械密封腔结构形状对密封腔内部的速度、温度分布以及速度场和热流场的影响。对原模型和四种不同方案的热水循环泵全流场流体域进行了流热耦合计算，沿机械密封环水体域轴向建立垂直于轴向的五个不同平面，并分别对不同模型方案情况下机械密封环五个不同轴面处的速度、温度和协同角进行了对比分析。结果表明:凸台型机械密封腔结构泵的水力效率和扬程高，扰流筋板数的增加能够增强换热，但相应泵的水力效率和扬程均较低。
　　(5)利用ANSYS-Workbench软件中Steady-State Thermal模块对热水循环泵轴承腔以及电机腔内部温度场进行计算，主要的热边界条件包括，轴承的发热量、电机的热损耗以及输送介质温度。同时也对热水循环泵轴系结构的强度进行了计算和分析。结果表明:轴承腔位置处温度值最大，其等效应力值也偏高，且均高于转子的其余位置处，为电机散热的设计提供参考。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度场的研究进展

1．2．2 热-结构耦合技术的应用进展

1．2．3 国内外研究现状总结

1．3 主要研究内容

第二章 机械密封动静环端面摩擦热量分配

2．1 机械密封环密封端面摩擦热量的计算

2．1．1 机械密封模型简化

2．1．2 机械密封的热量平衡

2．1．3 摩擦热的计算

2．2 机械密封环密封端面摩擦热量分配

2．2．1 密封端面热量理论分配

2．2．2 密封端面热量分配的数值计算

2．3 本章小结

第三章 热水循环泵流热耦合计算

3．1 热水循环泵全流场的流热耦合计算

3．1．1 几何参数以及三维模型建立

3．1．2 流热耦合数值计算过程

3．2 热水循环泵流热耦合计算结果分析

3．2．1 额定工况下流热耦合计算结果

3．2．2 不同工况下流热耦合计算结果分析

3．3 本章小结

第四章 热水循环泵泵壳热-结构耦合

4．1 耦合传热基本理论

4．1．1 耦合传热基础理论简述

4．1．2 耦合传热的数值求解

4．2 弹性力学基本理论

4．3 热弹性力学基本理论

4．3．1 热应力的概述

4．3．2 热弹性力学基本关系式

4．4 热水循环泵泵壳热-结构耦合分析

4．4．1 泵壳模型及网格划分

4．4．2 泵壳热-结构耦合计算的实现过程

4．4．3 热水循环泵泵壳热-结构耦合计算结果及分析

4．5 本章小结

第五章 热水循环泵机械密封腔强化传热的研究

5．1 机械密封流动与换热理论

5．1．1 机械密封腔处流态判断

5．1．2 强化传热理论

5．1．3 对流换热场协同理论

5．2 机械密封腔强化传热研究方案

5．2．1 强化传热研究的目的

5．2．2 强化传热研究机械密封腔结构方案

5．3 机械密封腔强化传热结果比较分析

5．3．1 热水循环泵外特性比较分析

5．3．2 机械密封腔速度场比较分析

5．3．3 机械密封腔温度场分析

5．3．4 机械密封腔场协同分析

5．4 本章小结

第六章 热水循环泵轴系应力分析

6．1 轴承发热量计算基本理论

6．1．1 轴承发热量计算

6．1．2 滚动轴承的摩擦力矩

6．1．3 轴承的当量动载荷计算

6．2 对流换热基本方程

6．2．1 连续性方程

6．2．2 动量方程

6．2．3 能量方程

6．3 对流换热系数计算

6．4 热水循环泵轴系温度场计算

6．4．1 热水循环泵轴系结构三维模型的建立和网格划分

6．4．2 施加的载荷条件

6．4．3 计算结果及分析研究

6．5 热水循环泵轴系应力场计算

6．5．1 热水循环泵轴系结构场载荷和支承的施加

6．5．2 热水循环泵轴系应力场计算结果分析

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究结果与总结

7．2 研究工作展望

参考文献

致谢

在读学位期间发表的论文