叶片圆盘泵流固耦合强度分析及性能改进研究

发布时间：2017-06-09 15:09

  本文关键词：叶片圆盘泵流固耦合强度分析及性能改进研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：叶片圆盘泵是一种具有特殊结构形式叶轮的离心泵，利用边界层效应实现介质的输送。作为一种近几年来研究发展并逐步推广应用的新型泵，目前国内外尚未对叶片圆盘泵进行深入研究，并无成熟的叶片圆盘泵理论及设计方法可借鉴。本文结合国家科技重大专项——大型油气田及煤层气开发子课题：海底泥浆举升钻井技术研究(2008ZX05026-001-12)和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目：可泵送多相流介质的新型不连续叶片泵数字化样机开发及其性能预测研究(11CX06066A)，通过开展叶片圆盘泵流场数值模拟、轴向力及径向力预测、叶轮参数对泵性能影响、叶轮流固耦合强度及模态特性分析以及一种高可靠性多级圆盘泵方案提出等方面研究，旨在解决制约叶片圆盘泵研发的水力性能和结构可靠性等方面的技术难题，为叶片圆盘泵国产化提供技术支撑。本文主要研究工作和创造性成果有： 1叶片圆盘泵水力性能及轴向力径向力预测研究 运用Fluent软件对不同工况下叶片圆盘泵内部全流场进行三维数值模拟，分别研究了叶片宽度、叶片形状等对泵扬程和效率的影响。计算结果表明，在一定范围内，随着叶片宽度的减小以及采用叶片轴向截面为梯形的叶轮等能有效改善泵的性能，分析结果可为叶片圆盘泵结构优化设计与性能提高提供理论依据。 针对叶片圆盘泵轴向力和径向力问题，在分析轴向力与径向力产生原因的基础上，对叶片圆盘泵内部流场进行数值模拟分析，得到轴端及叶轮表面的压力分布，从而预测出泵轴向力和径向力。结果表明：叶轮所受总的轴向力主要由叶轮前、后盘外表面压力分布不均产生。径向力在设计工况下达到最小值，与理论分析结论一致。 2叶片圆盘泵叶轮结构流固耦合强度分析 利用有限元软件对叶片圆盘泵叶轮结构进行流固耦合强度分析，得到叶轮流固耦合作用下结构强度性能。利用Fluent软件计算出叶片圆盘泵压力场分布情况，并通过Workbench平台，应用ANSYS软件校核叶轮强度，，得出不同工况下叶轮的最大危险点、应力及应变分布规律，并针对危险区域进行叶轮结构改进。同时，探究连接臂参数对叶轮强度影响。计算结果表明：所设计叶片圆盘泵叶轮满足强度要求，最大危险区域为连接臂与圆盘盖板连接位置，存在应力集中现象。经过改进后，叶轮最大应力明显降低，安全系数显著提高，极大提高了叶片圆盘泵叶轮使用寿命。 3叶片圆盘泵流固耦合模态特性分析 研究考虑流体压力、离心力等对叶片圆盘泵叶轮结构模态特性的影响。采用Fluent软件计算得出泵叶轮不同工况下压力分布情况，借助Workbench平台进行叶轮结构模态特性分析，并与未考虑流固耦合作用时进行对比分析，同时通过静态模态测量试验验证数值仿真结果的正确性。在此基础上，探讨了连接臂半径及位置对叶轮固有频率的影响。结果表明：叶轮的静态模态与预应力模态各阶振型基本相似，固有频率及各阶振型最大值也差异不大。最后计算泵转子的临界转速，为提高叶片圆盘泵可靠性提供数值依据。 4一种高可靠性多级圆盘泵方案研究 为进一步提高叶片圆盘泵可靠性与抗磨损性，提出一种水平中开式多级圆盘泵方案。该型多级圆盘泵主要创新之处在于选用的叶轮盖板内表面周向加工有特殊形式的“波纹”以替代普通叶轮内部叶片，有别于传统意义上叶片概念。与传统多级离心泵相比，该泵具有抗磨损、可靠性高等优点。
【关键词】：叶片圆盘泵 数值模拟 叶轮结构 流固耦合 可靠性 多级圆盘泵
【学位授予单位】：中国石油大学（华东）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH311
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 研究目标、研究内容及技术路线12-14
• 第2章 叶片圆盘泵全流场数值模拟研究14-31
• 2.1 流场有限元模型建立14-17
• 2.2 流场计算结果分析17-19
• 2.3 叶片圆盘泵轴向力径向力预测研究19-26
• 2.4 叶轮结构参数对泵性能影响研究26-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 叶片圆盘泵叶轮结构流固耦合强度分析31-47
• 3.1 流固耦合问题模型建立31-34
• 3.2 计算结果分析34-37
• 3.3 倒角处理对叶轮强度影响研究37-40
• 3.4 连接臂参数对叶轮强度影响研究40-45
• 3.5 新型叶轮流固耦合强度校核45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 叶片圆盘泵叶轮结构流固耦合模态特性分析47-58
• 4.1 计算方法及控制方程47-48
• 4.2 叶轮模态特性数值模拟48
• 4.3 无预应力模态特性分析48-51
• 4.4 预应力模态特性分析51-53
• 4.5 连接臂参数对模态特性影响53-54
• 4.6 叶片圆盘泵转子模态特性分析54-57
• 4.7 本章小结57-58
• 第5章 一种高可靠性多级圆盘泵方案研究58-66
• 5.1 多级泵概述58
• 5.2 多级圆盘泵工作原理及结构特点58-60
• 5.3 多级圆盘泵数值模拟研究60-63
• 5.4 多级圆盘泵性能特点及优势63
• 5.5 多级圆盘泵应用前景及展望63-65
• 5.6 本章小结65-66
• 第6章 结论与展望66-68
• 6.1 主要研究结论66-67
• 6.2 主要创新点67
• 6.3 展望67-68
• 参考文献68-72
• 攻读硕士期间取得的学术成果72-73
• 致谢73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周昌静;陈国明;尹树孟;许亮斌;;叶片圆盘泵叶轮无叶区内部流场数值模拟[J];化工机械;2010年06期

2 丁六怀;陈新明;高宇清;;海底热液硫化物——深海采矿前沿探索[J];海洋技术;2009年01期

3 李云松;任艳君;程德蓉;;考虑预应力时风扇叶片模态特征分析[J];机械传动;2010年05期

4 袁振,刘玉民,孙开明,张洪战;机械设备流固耦合动力分析的有效方法[J];机械强度;2000年01期

5 王少波,刘元杰,梁醒培;大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析[J];机械强度;2004年01期

6 万步炎,刘淑英;深海采矿专用提升泵的设计与研究[J];矿业研究与开发;1996年01期

7 胡敬宁;肖霞平;叶晓琰;王俊;周生贵;;反渗透海水淡化提升泵轴向力和径向力平衡的研究[J];流体机械;2009年10期

8 周昌静;陈国明;徐群;许亮斌;;圆盘泵流动规律研究[J];流体机械;2010年10期

9 尹树孟;陈国明;周昌静;;新型圆盘泵叶轮设计及其性能预测[J];流体机械;2012年06期

10 刘厚林;徐欢;王凯;吴贤芳;杜辉;;基于流固耦合的余热排出泵转子模态分析[J];流体机械;2012年06期

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1 周忠宁;对旋轴流风机流固耦合特性研究及其基于非线性动力学的应用[D];中国矿业大学;2009年

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本文编号：435819