多级离心泵安全性能分析及优化设计

摘要

离心泵是一种依靠叶轮旋转产生的离心力来传输液体的流体机械，广泛运用于城市排污、农田灌溉、石油运输、海洋船舶及化工等领域。多级离心泵是指串联两个及以上的单级离心泵来实现扬程叠加，满足实际工程中高扬程的需求。随着工业化的进展，各行各业对多级离心泵的要求，除了要满足高效率、高扬程之外，对其安全性和可靠性也提出了更多更高的标准。多级离心泵由于结构复杂加之内部流体的非定常流动，泵运转往往受力情况复杂且伴随着振动，这严重影响了多级离心泵的使用安全和寿命。针对多级离心泵的安全性和可靠性问题，本文利用有限元仿真方法对其主要部件进行强度分析、振动特性分析和疲劳分析，从而保证多级离心泵的安全性能;并通过研究多级离心泵的压力脉动特点，利用SVR代理模型结合遗传算法来对其结构进行优化以减小振动。
　　本文的研究内容主要有以下几点:
　　(1)多级离心泵的安全性能分析涉及到计算固体力学和计算流体力学，本文分析了国内外相关研究状况，结合所做课题的实际情况，对多级离心泵过流部件采用基于流固耦合的有限元方法进行分析;其余部件针对不同安全性能要求，结合结构静力学方法、结构动力学方法和有限元分析方法对其进行安全性能仿真分析。
　　(2)参照离心泵技术标准和设计手册，设计了一款符合技术要求的多级离心泵并建立三维模型;针对多级离心泵主要部件的结构特点，建立了各自的有限元分析模型;考虑了影响部件安全性能的一些重要因素，分别进行了结构强度、振动特性和疲劳寿命的分析，保证了多级离心泵在设计阶段的安全性和可靠性。
　　(3)针对多级离心泵核心部件叶轮的复杂应力分布情况，设计了5种不同叶片头部长度的方案和5种不同流量工况的方案，分析对比不同方案对叶片应力分布的影响。当叶片头部长度占总长9％时候，叶片应力分布情况相对较好;而偏离设计流量工况，叶片受力情况都很差。
　　(4)对离心泵内部流体压力脉动进行了研究，选取了影响离心泵压力脉动的三个关键设计变量:隔舌角度，喉部面积及叶轮外径建立样本，运用拉丁超立方取样方法取样计算，采用支持向量回归机对计算结果进行回归并建立代理模型，并通过遗传算法在基于代理模型的基础上行优化计算，优化后隔舌区域压力减小了8.4％。

目录

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致谢

摘要

插图和附表清单

1 前言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究的主要内容

1．4 本章小结

2 多级离心泵相关原理及安全性能数值计算方法

2．1 多级离心泵的理论基础

2．2 固体力学的基本方程和数值计算方法

2．3 计算流体力学相关理论

2．4 本章小结

3 多级离心泵的设计及仿真分析

3．1 多级离心泵的设计

3．2 主要部件结构强度和振动特性分析

3．3 主要部件疲劳寿命分析

3．4 本章小结

4 基于流固耦合的叶轮安全性能分析

4．1 离心泵首级叶轮内部三维流场数值模拟

4．2 基于流固耦合的叶轮结构强度分析

4．3 基于流固耦合的叶轮模态分析

4．4 基于流固耦合的叶轮疲劳分析

4．5 叶轮应力分布问题的研究

4．6 本章小结

5 多级离心泵压力脉动分析与结构优化

5．1 多级离心泵压力脉动分析

5．2 基于SVR-GA方法的离心泵优化设计

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间参加的科研项目