特种工程用紧凑型磁力泵的开发与研究

发布时间：2020-04-19 08:07

【摘要】：紧凑型磁力泵体积小、重量轻,输送液体无泄漏、无轴封,主要用于特种工程设备中。传统离心泵尺寸大,轴封易泄漏,且不耐腐蚀,使用寿命短,无法满足特种工程的使用场合要求。本课题结合中国人民解放军某部开发合同,设计开发了型号为CJRB8-70LW的紧凑型磁力泵。按紧凑型磁力泵参数进行叶轮、蜗壳水力设计,对包括前间隙及后间隙水体等在内的泵端全流场进行三维定常模拟,将模型样机试验数据与模拟数据进行对比,验证数值模拟的准确性。利用正交试验方法,对叶轮进行优化设计,得到优化叶轮水力参数;改变泵体压水室的水力尺寸,并进行实验,比对分析得到泵在不同压水室水力尺寸下的性能。将定常计算结果作为初始条件进行非定常计算,得到泵内压力脉动以及叶轮上的轴向力和径向力变化情况。基于Workbench软件对磁力泵各部件(叶轮、泵体、隔离套)进行结构静力和结构动力学分析,得到磁力泵受力情况和模态,验证磁力泵设计结构的可靠性。本课题主要研究内容及成果如下:1.依据中国人民解放军某部开发合同要求,结合紧凑型磁力泵尺寸严格限制、小流量、高扬程等特点,设计研发了紧凑型磁力泵,包括对叶轮和蜗壳等过流部件的水力以及整体结构进行了设计,具有创新性。2.对紧凑型磁力泵的叶轮水体、蜗壳水体等在内的流体区域进行了实体建模,并对所有流体区域三维模型进行了网格划分。通过CFD软件对紧凑型磁力泵全流场进行数值计算,分析了在不同工况下泵内压力、速度分布变化规律,计算得到紧凑型磁力泵的外特性性能。在江苏大学特种泵试验台对紧凑型磁力泵进行试验,验证了数值模拟的准确性。3.利用正交试验法进行叶轮优化设计,得到9组叶轮水力模型,对比各组泵水力性能及内部流动状况,同时对扬程和效率进行极差分析和因素选取分析,得到分流叶片数Z=5,分流叶片周向偏置角度α=0.4θ,分流叶片进口直径Dsi=0.75D2,分流叶片偏转角度θ=0°和分流叶片数Z=5,分流叶片周向偏置角度α=0.4θ,分流叶片进口直径Dsi=0.55D2,分流叶片偏转角度θ=0°为分流叶片的最佳设计方案。优化后的叶轮相比于原模型叶轮,流动中的旋涡减少,流动更加平滑规律,扬程和效率均有所提高。同时,设计了三种不同蜗壳的水力方案,并对三种方案实型样机进行实验,得到三种不同方案蜗壳的水力性能,实验表明,蜗壳基圆直径和蜗壳第Ⅸ断面面积是影响磁力泵性能的重要因素。4.对磁力泵全流场进行了非定常流场计算,从结算结果看出:随着流量工况的增加,叶轮内部脉动系数值逐渐减小,小流量工况与大流量工况时,压力脉动主频主要受轴频影响,大流量工况压力脉动主频在不同的监测点出现不同的变化,设计流量工况脉动规律最好;各流量工况下,蜗壳出口处较流道内压力脉动更具规律性,大流量工况压力脉动较小流量和设计流量紊乱;设计流量下,叶轮轴向力最小,轴向力脉动规律性最好。叶轮径向力随着流量的增加而减小,而流量增加,叶轮径向力脉动愈加紊乱。5.基于Workbench平台对磁力泵各部件(叶轮、泵体、隔离套)进行了结构静力学分析。分析结果表明:叶轮、泵体、隔离套的机械应力与机械变形随着流量的增大而减小,磁力泵各部件的机械应力和机械变形均符合磁力泵流场规律;叶轮区域的最大应力为83.272MPa,泵体区域的最大应力为78.66MPa,且叶轮与泵体的大部分区域等效总应力均小于最大应力,叶轮与泵体的最大应力小于材料1Cr18Ni9Ti的极限应力205MPa,叶轮与泵体设计满足强度要求;隔离套区域的最大应力为187.5MPa,小于材料钛合金TC4的极限应力825MPa。且隔离套最薄的区域最大变形量0.6889mm,小于隔离套与内、外磁转子之间的间隙,不会发生干涉。隔离套结构设计满足要求。6.基于Workbench平台对磁力泵各部件进行了结构动力学分析,分析结果表明:磁力泵各部件有预应力和无预应力下前6阶模态的固有频率变化幅度较小,预应力状态下模态的固有频率相对无预应力时有所提高;磁力泵各阶模态的固有频率均远离主要的流动诱导激励频率,磁力泵不易发生共振;对于转动部件叶轮,模态的变形主要集中在叶轮边缘处;静止部件泵体的进口管入口处更易发生变形;静止部件隔离套的中间轴套位置处更易发生变形。
【图文】：

水力,叶轮,压水室,隔舌

图 2.1 叶轮水力图2.2 压水室水力设计压水室同样对磁力泵的水力性能有着重要影响，设计时尽可能减小磁力泵结构的空间尺寸，同时，需保证压水室几何型线符合流体流动规律，使得压水室具有较高的效率。为了获得较为理想的流动状况，压水室采用螺旋形。压水室基圆，以 D3表示。D3稍大于叶轮外径 D2，使隔舌和叶轮间有一适当的间隙。该间隙过小，，容易因液流阻塞而引起噪声和振动，还可能在隔舌处发生汽蚀。叶轮和隔舌的合理间隙，能减小叶轮外周流动的不均匀性，降低振动和噪声，并使效率稍有提高[50]。但间隙过大，间隙处产生旋转的液流环，消耗一定的能量，使泵效率下降，因此通常取：32D (1 .03~1.08)D

压水室,水力

江苏大学硕士学位论文11图 2.1 叶轮水力图2.2 压水室水力设计压水室同样对磁力泵的水力性能有着重要影响，设计时尽可能减小磁力泵结构的空间尺寸，同时，需保证压水室几何型线符合流体流动规律，使得压水室具有较高的效率。为了获得较为理想的流动状况，压水室采用螺旋形。压水室基圆，以 D3表示。D3稍大于叶轮外径 D2，使隔舌和叶轮间有一适当的间隙。该间隙过小，容易因液流阻塞而引起噪声和振动，还可能在隔舌处发生汽蚀。叶轮和隔舌的合理间隙，能减小叶轮外周流动的不均匀性，降低振动和噪声，并使效率稍有提高[50]。但间隙过大，间隙处产生旋转的液流环，消耗一定的能量，使泵效率下降，因此通常取：32D (1 .03~1.08)D高比转速和尺寸较小的泵取大值，反之取小值，因磁力泵比转速低，基圆直径设置为 242mm。压水室进口宽度 b3大于叶轮包括前、后盖板的叶轮出口宽度 B2，使得叶轮前后盖板带动旋转的液体可通畅地流入压水室。通常取：b B(5~10)mm32 （2.11）因 B 9mm2 ，取压水室进口宽度为 b 16mm3 。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH38

【参考文献】