重载化工流程泵在高温高压下的结构热力耦合分析及优化

发布时间：2020-10-22 09:34

　　 重载化工流程泵主要应用在石油、化工和天然气等行业作为流程用泵,以及一些需要产生高温、高压流体的部门,介质温度在150~450℃之间,压力在2~20MPa之间,泵在诸如此类工况下运行时,若不能保证结构强度和密封性,极易造成泵汽蚀、振动、产生噪音、变形、液体泄漏喷射或者设备发生故障停机、爆炸、周围物体燃烧发生火灾等,不仅造成环境污染、财产损失,甚至危及人体健康与生命安全。传统化工流程泵按经验公式设计,大多数公司在生产中不具备高温高压的实验验证条件,只是以常规试验来验证泵的强度和密封性、设计的合理性和可靠性,不仅研发时间长,成本高,而且难以保证安全可靠性要求。因此,急需找出一种有效的研发方法来为该类化工流程泵进行有针对性的设计改进。本文就是采用ANSYS有限元仿真分析方法对某KPP系列重载化工流程泵在高温高压下进行的结构热力耦合分析,它具有性能预测、数值试验和故障诊断等作用,而且具有可重复性,使许多过去无法分析的复杂问题,通过计算机仿真得到满意的解答。不仅可以缩短研发周期,使产品达到先进的设计水平,还可以减少反复试制的生产成本。其研究的主要内容有:1、基于特定的温度和受力条件,分析现有不带筋板的轴承架的传热特性,如温度和热通量分布,并对其结构进行优化,分别改进设计了三种不同型式轴承架:带筋板的轴承架、泵盖端带冷却腔的轴承架、传动端带强制对流风扇的轴承架,他们的传热速率逐个加快,冷却效果显著。2、基于特定的温度和受力条件,分析泵轴的变形、应力,评估其结构强度及疲劳寿命,通过优化悬臂比和轴阶倒角,加强了泵轴的承载强度。3、(1)、基于现有泵体、泵盖的结构设计和材料不变,分析泵在特定工业流程装置中适用的温度或者压力极限,以及高温、高压分别对泵结构强度的影响。(2)、基于特定的高温和高压工业流程装置,找出单一材料组合、不同壁厚的泵体、泵盖在许用变形、许用应力和安全系数极限值一定的情况下,允许的最高温度和压力,优化现有产品的结构形式。(3)、基于特定的高温和高压工业流程装置,找出同一壁厚、不同材料组合的泵体、泵盖在许用变形、许用应力和安全系数极限值一定的情况下,允许的最高温度和压力,优化现有产品的材料配置。从仿真分析结果可知:(1)、高温比高压对泵强度的影响更大,最大变形量和最大应力几乎是翻倍的,原因是泵材料的性能在高温下已经改变了,由弹塑性材料蠕变成了塑脆性材料,严重影响了泵的强度,改进时可选用更耐热的材料。(2)、泵最大变形主要发生在前腔、机封腔区域,最大应力主要发生在中间支撑座、筋板和泵体接触区域、泵盖环腔区域,很多部位安全系数都小于1,很不安全,要对这些部位的壁厚加大些。最后,论文所采用的研究方法,将为类似工况条件下重大关键设备的研发奠定基础;研究方法的成功实施,不仅缩短了产品的设计周期,也降低了行业内生产及采购该类泵的成本,为社会创造更多效益。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ051.21
【部分图文】：

题的背景和意义我国国民经济的快速发展，各行各业对各种泵的需求也越来越多，特别石化泵这种中高端泵为例，每年都会有 10%左右的增长需求。但因为石常复杂，工作环境恶劣，具有高温、高压，生产介质易燃、易爆、易腐发生故障，将影响整套装置甚至整个厂区的安全。因此长期以来，我国数量的关键用泵都是采用国外进口的产品，例如瑞士苏尔寿、德国 KS国福斯、日本荏原等的产品，不仅价格昂贵，购买配件困难，供货周期故障时维修极不方便，从而一直困扰着国内各企业用户。满足市场需求，也为了响应国家大型装备制造业国产化和节能减排的要来开发了一种新型的 KPP 系列重载化工流程泵[1]-[5]，其机组装置如图 1是根据美国石油协会 API610《石油、重化学和天然气工业用离心泵》[。

图 1-2 泵泄漏燃烧发生火灾因此，急需采取一种新的研发方法，以便更便捷、更可靠的设计出特殊结构的重载工流程泵，保证产品在诸如高温高压兼备等特殊工况条件下的使用安全。有限元仿真分析方法[12]-[18]是近年来兴起的比较便捷、可靠的研发设计方法，它具性能预测、数值试验和故障诊断等作用，使许多过去无法分析的复杂问题，通过计算模拟仿真得到满意的解答，最后再辅以试验来验证，不仅可以缩短研发周期，使产品

第一章 绪论与泵盖通过螺栓连接；其中泵盖上设置有第一冷却室 10，轴承架外面有散热筋板 11、里面还设置有第二冷却室 12。当泵输送的介质为高温高压时，其中的泵轴还可以设计为加长轴，并在轴承架外侧的泵轴上设置一个轴流式强制冷却风扇 8、保护罩 9。结构总装配图如图 1-3 所示.
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本文编号：2851418