磁力驱动离心泵设计方法及流场特性研究

发布时间：2018-11-03 20:14

【摘要】：本课题属于国家科技支撑计划项目“典型离心泵关键技术研究及工程示范应用”(项目编号:2011BAF14B00)研究内容之一和“江苏省高校优势学科建设工程资助项目”研究工作。本文对磁力驱动联轴器设计方法、磁场数值模拟和磁力驱动离心泵内部流动特性进行研究,主要研究工作有以下几个方面:1.简要介绍了磁力驱动离心泵的运行特点及存在的主要问题,论述了目前国内外磁力驱动离心泵的发展现状,了解并掌握了磁力驱动联轴器设计及磁力驱动离心泵内部流动特性的研究现状。2.研究了磁力驱动联轴器的设计方法,分析现有的设计方法存在的不足,并进一步完善及改进,基于最大静磁转矩经验计算公式、磁涡流损失转矩比率计算公式、永磁体体积计算公式、MATLAB编程、有限元计算以及正交试验方法,创新的提出了一种磁力驱动联轴器的设计方法,并对其计算程序、优化过程以及设计流程进行研究。3.首次引入主要目标法的解决思路及分层序列法的求解顺序对磁力驱动联轴器进行多目标设计及优化,确定设计变量,创建目标函数,建立约束条件,并通过MATLAB编程实现了求解过程的自动运行,得到了磁力驱动联轴器设计程序。利用文献中已有的磁力驱动联轴器模型对设计程序的可靠性进行验证,验证表明:设计程序计算简单可靠,实用性较好,对本课题的磁力驱动联轴器设计提供方便。4.基于有限元计算方法对设计的磁力驱动联轴器进行单因素试验研究,获得了不同几何参数变化对磁力驱动联轴器磁转矩及磁涡流损失的影响规律,在单因素试验研究的基础上对磁力驱动联轴器进行正交试验研究,研究表明:各几何参数对最大静磁转矩的影响顺序为tmrLbti,对磁涡流损失的影响顺序为tmrLbti,对永磁体体积的影响顺序为tmLbrti,磁力驱动联轴器最优几何参数为:内磁体内半径r=80 mm,永磁体厚度tm=8 mm,轴向长度Lb=144 mm,轭铁厚度ti=10 mm;利用磁力驱动联轴器静态试验装置及动态试验装置对设计的磁力驱动联轴器进行试验研究,试验结果表明:采用创新方法设计的磁力驱动联轴器最大静磁转矩为351n?m,磁传递效率91.33%,磁力性能满足设计要求,设计合理,设计方法较为可靠。5.基于速度系数法对磁力驱动离心泵的叶轮及压水室进行设计,对比分析了磁力驱动离心泵冷却循环方式,研究了冷却循环流量的计算方法,并基于压降损失计算公式提出了磁力驱动离心泵的冷却循环回路的计算方法,采用该计算方法对本课题涉及的冷却循环回路进行计算。6.采用cfd数值计算与外特性试验相结合的方法对磁力驱动离心泵全流场内部流动特性进行了研究,获得了不同工况下磁力驱动离心泵内各主要过流部件的内部流动规律,并基于流热耦合技术对磁力驱动离心泵内的热量交换及温度分布规律进行研究,分析了冷却循环流道内温度、对流换热系数以及压力温度曲线的变化规律,并将数值计算与试验结果进行对比分析,结果表明:设计工况下泵扬程为36.3m,泵效率为71.5%,扬程及效率指标均满足设计要求,高效区范围较宽,设计合理;数值计算与试验曲线相吻合,数值计算方法可靠,能够较真实的反映磁力驱动离心泵内部的流动规律。7.基于非定常数值计算的方法对磁力驱动离心泵内部的压力脉动特性进行研究,重点分析不同工况下磁力驱动离心泵内各主要过流部件内的压力脉动特性分布及衰减变化规律,分析表明:叶轮流道内的主频为轴频fn,压水室及冷却循环流道内的主频为叶频6fn,磁力驱动离心泵内的压力脉动来源为叶轮与压水室及隔舌发生的动静干涉作用,冷却循环流道内的压力脉动沿着介质的流动方向逐渐衰减,在回流孔出口附近区域压力脉动幅值最小。8.对导流孔及回流孔径变化与磁力驱动离心泵内部流动性能的关系进行了探索,获得了不同导流孔及回流孔径变化对磁力驱动离心泵外特性、内部流场、温度场以及压力脉动特性的影响变化规律,研究表明:导流孔及回流孔径变化对泵的外特性及内部流场的影响较小,对冷却循环流道内的内部流动性能及压力脉动衰减速度的影响较大,导流孔径为10mm或者回流孔径为6mm时,隔离套间隙内的压力及压力脉动幅值较大,隔离套承受的载荷及交变载荷较大,容易导致隔离套发生疲劳失效现象,随着导流孔径变小或者回流孔径增大,隔离套间隙内的压力值及压力脉动幅值逐渐降低。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH311
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本文编号：2308902