船用串并联离心泵内部流动机理及振动特性研究

发布时间：2017-07-31 16:35

  本文关键词：船用串并联离心泵内部流动机理及振动特性研究

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【摘要】：串并联离心泵一机多用、具有大流量低扬程和小流量高扬程两种工况,为船舶辅助系统的重要设备,能有效减小设备的占地面积、及时有效地输送液体和保护船舶的安全。串并联离心泵内部流动机理及振动特性的研究对于整船管路系统的流体激振力、振动、噪声有着重要的作用。因此,开展串并联离心泵的内部流动机理及振动特性研究对于设备更新替换、优化及系统的减振降噪具有重要意义。 本文的研究工作在安徽省自主创新专项资金“油料输送及舰船用串并联产业化项目”、国家自然科学基金51279069和51079063项目、江苏省研究生创新基金项目CXLX11_0578的资助下开展。 目前,串并联离心泵的内部流动机理及振动特性研究十分匮乏,本文在原始串并联离心泵叶轮匹配螺旋压水室的结构基础上,对叶轮、螺旋型压水室部件进行设计、加工工艺创新、结构优化,并且以泵外特性试验台为基础专门搭建了振动试验台,采用数值仿真计算、外特性试验及振动试验的方法对串并联离心泵的内部流动机理和振动特性进行了研究。本研究的主要工作和创造性成果有： (1)依据叶轮匹配螺旋型压水室的原始结构形式,提出了水力参数选择方法,进行了叶轮、螺旋型压水室的水力设计；提出了创新的叶轮流道加工及叶轮前后盖板固定方法,保证了流道表面光洁度和叶轮出口面积及安放角的一致性；改进了转子部件的动平衡工艺,提高了转子部件的动平衡水平。在泵外特性试验台的基础上,消除了进出口管路、底座对振动的影响专门搭建了振动试验台,对泵组机脚处的振动进行试验研究。将串并联泵串联工况和并联工况的外特性试验数据进行无量纲化处理及对比,得出了串并联工况变化对水力性能的影响。分别在电机空载、串联工况额定流量、并联工况额定流量下,采用1/3倍频程分析,对叶轮匹配螺旋型压水室结构的串并联离心泵机脚处各个监测点总振级测试,结果表明：并联工况额定流量串联工况额定流量电机空载。 (2)首次对原始结构泵(叶轮匹配螺旋型压水室的结构)进行了改进与创新设计,在保证叶轮水力设计不变的前提下,采用叶轮匹配导叶与环形压水室的新型结构,保证转子部件质量和动平衡精度等级、电机相同的前提下,进行新型串并联离心泵的外特性和振动试验研究。对比原始结构泵和新型结构泵的无量纲试验数据,额定工况处的效率无论是并联工况还是串联工况,新型结构泵均小于原始结构泵。以机脚处加速度1/3倍频程的总振级为评价指标,对新型结构泵与原始结构泵的总振级进行了对比,不同频率处的振动差值有所变化,且无规律可循。以监测点处机脚加速度的总振级为评价指标,新型结构泵比原始结构泵振动降低3dB-4dB。分别以效率和机脚振动为评价指标对比了串并联离心泵两种结构形式的优劣,为不同优化目标的选择提供参考依据。 (3)以机脚振动为评价指标,选择新型串并联离心泵为优秀模型,总结了串并联工况切换时数值计算的实现方法,分别采用k-ε,RNG k-ε,SST等不同的湍流模型进行数值模拟并分析扬程、功率、效率等,与试验结果进行无量纲分析,得出RNG湍流模型在新型串并联泵数值计算中具有好的适应性,为内部流场的分析奠定了基础。对叶轮中截面、换向阀、吸入室处的压力分布图、速度分布图、湍动能、流线等进行了对比分析,探究了串并联离心泵串联工况与并联工况对内部流动机理的影响,为串并联离心泵内部流动机理的研究奠定了基础。 (4)由于结构特性影响及初步水力设计方法的选取,并联时,首级叶轮的流量向大流量偏移,首级叶轮的流量大于次级叶轮的流量；串联工况时,由于忽略间隙泄漏,两个叶轮之间的流量趋于相等。首次提出在串并联离心泵水力设计时应考虑结构设计的影响因素进行相互耦合设计,并提出了首级叶轮和次级叶轮差异化设计的方法。 (5)对原始结构(叶轮匹配螺旋型压水室)和新型结构(叶轮匹配导叶与环形压水室)的串并联离心泵叶轮出口、换向阀、首级吸入室、次级吸入室、新型串并联泵导叶、环形压水室内部流体压力脉动等进行了对比分析,原始结构叶轮出口处的幅值明显小于新型结构的幅值。并对两种结构叶轮x方向的径向力进行分析,原始结构泵的叶轮径向力幅值大于新型结构泵的叶轮。并探讨了流体激振力和叶轮径向力对机脚处总振级的影响。 (6)采用小波包变换理论对串并联离心泵的串联工况、并联工况、原始结构、新型结构在不同频段的能量变化进行分析,得出了各个工况对不同频段振动的影响,为下一步的减振降噪提供了一定的参考依据。
【关键词】：串并联 离心泵 内部流动 振动 试验研究 小波包
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.58;TH311
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 课题研究目的及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 船用串并联泵的国内外研究现状16-18
• 1.2.2 离心泵内部流动研究18-19
• 1.2.3 离心泵振动研究现状19-20
• 1.2.4 串并联离心泵存在的问题20-21
• 1.3 本文主要研究内容21-23
• 第二章 串并联泵设计及振动试验23-47
• 2.1 串并联泵结构23-24
• 2.2 关键部件水力设计24-28
• 2.2.1 叶轮设计24-27
• 2.2.2 蜗壳水力设计27-28
• 2.3 加工工艺改进控制28-31
• 2.4 外特性试验31-33
• 2.5 振动试验台33-38
• 2.5.1 试验台整体结构33-35
• 2.5.2 压电式加速度振动传感器35-36
• 2.5.3 数据采集系统36-38
• 2.6 振动试验测试分析38-46
• 2.6.1 1/3倍频程分析39-40
• 2.6.2 不同监测点的倍频程分析40-41
• 2.6.3 不同流量的倍频程分析41-44
• 2.6.4 串并联工况的倍频程分析44-46
• 2.7 本章结论46-47
• 第三章 船用串并联泵结构优化及振动特性研究47-64
• 3.1 整体结构优化47-49
• 3.2 关键水力部件设计49-51
• 3.3 外特性试验对比51-53
• 3.4 新型串并联泵倍频程分析53-62
• 3.4.1 新型串并联泵不同监测点倍频程分析53-55
• 3.4.2 新型串并联泵不同流量下倍频程分析55-57
• 3.4.3 新型串并联泵串并联工况下倍频程分析57-59
• 3.4.4 新型结构与原始结构串并联泵额定流量下倍频程分析59-62
• 3.5 本章结论62-64
• 第四章 船用串并联泵内部流动机理研究64-87
• 4.1 计算模型64-74
• 4.1.1 三维实体造型64-66
• 4.1.2 控制方程及计算模型66-69
• 4.1.3 计算边界条件69
• 4.1.4 网格无关性分析69-72
• 4.1.5 湍流模型适应性研究72-74
• 4.2 串并联泵内部流动特性74-81
• 4.2.1 串并联叶轮中截面分析74-78
• 4.2.2 换向阀流动特性分析78-79
• 4.2.3 次级吸入室流动特性分析79-81
• 4.3 串并联泵首、次级叶轮性能研究81-85
• 4.4 本章结论85-87
• 第五章 船用串并联泵水力激振力机理研究87-113
• 5.1 瞬态计算参数设置87-89
• 5.2 叶轮出口处压力脉动分析89-95
• 5.3 导叶流道内部压力脉动分析95-99
• 5.4 环形压水室内部压力脉动分析99-102
• 5.5 换向阀内部压力脉动分析102-107
• 5.6 首级吸入室压力脉动分析107-108
• 5.7 次级吸入室压力脉动分析108-109
• 5.8 两种结构形式泵的叶轮径向力分析109-111
• 5.9 本章结论111-113
• 第六章 基于小波包变换的振动特性研究113-127
• 6.1 小波分析基本理论113-117
• 6.1.1 小波变化理论113-114
• 6.1.2 二进小波变换114-116
• 6.1.3 二进小波包分析116-117
• 6.2 振动信号的频域分析117-121
• 6.3 振动信号的小波包分析121-125
• 6.4 本章结论125-127
• 第七章 总结与展望127-132
• 7.1 全文总结127-131
• 7.2 尚待解决的问题与前景展望131-132
• 参考文献132-143
• 攻读学位期间学术论文发表与研究成果143-145
• 致谢145

【参考文献】

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本文编号：600117