PBN65-40-250型屏蔽泵轴向力平衡计算及其试验

屏蔽泵的轴向力能否很好的平衡直接影响到屏蔽泵的安全可靠运行。屏蔽泵轴向力平衡设计技术已成为制约其大型化的难题之一。对PBN65-40-250型屏蔽泵转子的轴向受力全面分析计算,综合屏蔽泵轴向力产生的各种原因,采用调整叶轮后密封环尺寸和平衡孔过流面积的方法,能有效地实现轴向力平衡设计。为了实测屏蔽泵的轴向力,设计了轴向力的测量装置和轴向力试验系统。通过平衡计算和试验验证,理论计算值与实测值基本一致。综合受力计算,轴向力平衡的设计计算方法具有很好的实用价值。     

磁力泵导轴承及平衡用永磁环的研究

磁力泵在运行时经常发生导轴承失效问题,如果将导轴承承受的正压力降低,可以提高磁力泵运行的可靠性。该文首先介绍了设计磁力泵导轴承的基本方法,并以一种卧式磁力泵为模型,通过分析退磁曲线法获得的磁钢能量公式,给出了磁力泵转子在有轴向偏移时,磁力联轴器回复力的计算方法;在转子两端各加装一对异性磁化磁环,将外环预先偏置,产生对转子的托力,理论上托力可以完全平衡转子重量,并使得转子所承受的合力偶为零。研究说明,利用永磁磁环的作用力可以用来平衡转子重量,提高磁力泵导轴承寿命,方案可行。     

屏蔽泵轴向力平衡新方法

屏蔽泵的轴向力平衡成为影响屏蔽泵使用寿命和效率的关键因素。由于传统平衡方法难以完全解决屏蔽泵轴向力平衡问题,因此,采用新的轴向力平衡结构及方法显得十分必要。该文通过对屏蔽泵轴向力的特点分析与计算,采用校核计算的方法设计一个副叶轮,由副叶轮带动冷却液在冷却回路中循环流动,并产生一个与主叶轮产生的轴向力及转子重力等合力大小相等,方向相反的轴向力,从而消除轴向力。通过轴向力平衡计算和试验测量,屏蔽泵残余轴向力较小,满足规定要求,计算结果与试验测量结果基本一致。应用实例表明,屏蔽泵轴向力平衡新方法可靠,计算过程正确,能基本消除残余的轴向力,使轴承的负荷减小,延长轴承使用寿命,实现了屏蔽泵的安全可靠运行,具有一定的工程应用价值。     

多级离心泵轴向力平衡装置的设计与分析

可靠的轴向力平衡装置是高压多级离心泵实现平稳可靠运行的重要机构。针对反渗透海水淡化高压泵对结构和运行可靠性的特殊要求,设计了一种用于节段式多级离心泵的新型轴向力平衡装置。基于计算流体力学（CFD）方法研究了平衡装置内部的流场结构及其轴向力平衡机理,分析了不同轴向间隙、径向间隙以及滑动轴承长径比条件下的轴向力平衡特性。结果表明,不同进出口压差条件下,滑动轴承间隙内流动结构存在明显区别,轴承支撑机理发生变化;平衡力和相对泄漏量随轴向、径向间隙的增大呈非线性增大,平衡力随长径比增大近似呈线性增大,相对泄漏量随长径比增大近似呈线性减小。对径向、轴向间隙和长径比进行各种组合分析计算,得到轴向间隙0.2 mm、径向间隙0.3 mm、长径比为1的结构优化的新型机构,该机构既可以很好地平衡轴向力,又提高了多级泵的可靠性。     

考虑轴向间隙影响的挖泥泵轴向力数值分析

转子所受的轴向力是关系到离心泵运行稳定性的重要问题,轴向力的大小和方向与离心泵的水力设计、结构设计中的许多参数都有相关性,其中叶轮盖板与蜗壳泵盖之间的轴向间隙是关键影响因素之一。为了量化地探究不同流量下轴向力特性与轴向间隙尺寸之间的关系,该文基于雷诺时均方程(Reynaolds-averaged Navier-Stokes equations,RANS),采用剪切应力传输(Shear Stress Transport)模型,即SST k-ω湍流模型,对一个前盖板含有后弯式副叶片的离心式挖泥泵进行了全流道数值模拟。考虑侧腔流域的多相位定常流动数值模拟得到了与试验测量结果非常吻合的外特性计算结果,各性能参数的计算误差均在5%以内。对该泵在3种轴向间隙下的外特性及轴向力变化规律进行了计算分析,结果表明:随前间隙的增大,泵的效率明显下降,扬程有不同程度的降低,轴功率变化不大;前、后盖板外表面所受轴向力随轴向间隙和流量的改变均有不同程度的变化,而叶轮内流道所受轴向力则基本不变,可视为定值;后盖板所受轴向力的绝对值最大,对总轴向力的方向及变化规律起着决定性作用,叶轮内流道所受轴向力的绝对值最小。随着前间隙的增大,前后盖板上的压力分布越来越均匀,而前后盖板上的速度沿径向均匀分布,基本不受轴向间隙变化影响。因此,在离心泵的水力设计中应综合考虑外特性、轴向力及加工成本,尽量减小前轴向间隙尺寸。本研究可为离心泵的优化设计提供参考。     

多级离心泵轴向力的数值计算与试验研究

轴向力的大小及平衡问题是影响离心泵可靠性、安全性以及效率的重要因素。由于不同的经验公式计算出来的轴向力大小相差很大,因此,找到一个离心泵轴向力精确计算的方法十分必要。该文通过对离心泵轴向力的理论分析,基于Fluent商用软件,采用标准k-ε湍流模型、SIMPLE算法对多级离心泵的内流场进行数值计算,分析离心泵内部流场的静压分布规律,并通过静压积分求得轴向力大小。对模型泵进行压力分布试验,获得14组流场的压力值及流量-压力、扬程-压力曲线,从而推导计算出轴向力大小。比较数值模拟与试验结果,压力值在小流量工况下相差较大,在设计工况下接近叶轮出口处模拟压力值与试验值基本吻合;轴向力的计算结果大体一致,最大误差仅为4.6%,在允许误差范围内。研究结论为离心泵的可靠性设计提供了新的思路和方法。     

平衡鼓间隙对首级叶轮前泵腔压力及多级泵轴向力的影响

平衡鼓的轴向力平衡能力是多级离心泵发生故障并影响其寿命的关键因素。该文采用数值模拟方法,在多级泵的外特性、平衡管内压力和泄漏量的数值计算结果与试验结果基本一致的基础上,研究了平衡鼓间隙泄漏量变化对首级叶轮前泵腔的压力分布、首级叶轮及整个叶轮轴向力的影响。研究结果表明:首级叶轮前泵腔中的漩涡区是腔体内压力变化的主要原因。当平衡鼓间隙由0增大到0.5 mm时,首级叶轮的轴向力在间隙为0时最大,在间隙为0.3 mm时最小,其最小值为最大值的20.6%;整个叶轮所受轴向力随着平衡鼓间隙增大呈先减小后增大的趋势。无量纲化的平衡鼓间隙面积大于6.6×10-3时,由于平衡鼓前后压差较小,已无法有效平衡轴向力,在此范围轴承发生断轴的风险较大。该研究可为多级泵平衡鼓设计提供参考。     

离心泵平衡孔液体泄漏量试验与分析

针对离心泵上叶轮平衡孔的实际液体泄漏量难以测量的问题,设计了通过调节平衡腔液体压力来测量平衡孔液体泄漏量的试验装置,在平衡孔直径4、6、8、11 mm条件下对泵性能、平衡孔液体泄漏量和平衡腔液体压力进行了测试及分析,获得了不同直径平衡孔下泵的性能曲线、平衡孔泄漏量系数和轴向力系数与比面积的关系曲线。试验结果表明:加大叶轮平衡孔直径会使泵的扬程降低、输入功率增大和效率降低;平衡孔液体泄漏量系数与比面积关系曲线有明显的规律性,其随着比面积增大而减小,且扬程系数对其有较大的影响;轴向力系数曲线是非线性曲线,在比面积小于2.5时,轴向力系数随比面积增大而急剧减小;比面积大于等于2.5小于等于4.5时,轴向力系数曲线趋于平坦,其均值为0.112;比面积大于4.5时,轴向力系数曲线几乎与横坐标平行,其均值为0.067。该研究为较精确计算平衡孔液体泄漏量与平衡腔区域的轴向力提供了参考。     

离心泵浮动叶轮轴向间隙的液体流动分析及轴向力计算

为了研究浮动叶轮轴向间隙变化对其液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的影响规律,将径向和轴向的间隙液体流动分别简化为平行平板间粘性层流运动和轴对称二维粘性层流运动,基于液体通过径向和轴向的间隙泄漏量相等,推导出了计算轴向间隙的液体泄漏量及压力、液体作用在不锈钢盘上轴向力的数学表达式。并通过设计实例计算,绘制出了轴向间隙的液体泄漏量和液体作用在不锈钢盘上轴向力与轴向间隙变化的关系曲线,从控制一定泄漏量并减少轴向力的角度出发,分析得出轴向间隙取0.4～0.8mm较为适宜。并在平衡腔内不安装不锈钢盘和石墨盘条件下,计算出了平衡腔内液体作用在叶轮上轴向力。通过比较分析,浮动叶轮有明显减少轴向力的效果。     

飞轮电池不对称励磁卸载轴向悬浮混合磁轴承设计

针对飞轮电池支承与传动系统集成度低、能量损耗大等问题,该文设计了一种兼顾卸载和轴向悬浮的不对称励磁混合磁轴承,该磁轴承拓扑结构由含永磁环的上定子、下定子及转子组成。分析了不同工作模式下的运行机理;综合考虑永磁退磁、最大偏心以及轴向扰动等因素对磁轴承卸载能力的影响,制定了磁轴承额定卸载力约束准则;结合永磁材料工作曲线,推导出卸载力数值模型以及退磁/最大偏心下轴向补偿力数值模型并实现了磁轴承关键结构参数设计。三维有限元分析表明,正常卸载力、退磁卸载力、偏心卸载力的有限元分析值与理论值误差分别为4%、3.7%和5.8%,验证了参数设计结果的准确性。样机试验结果表明,卸载力理论计算值与实测值的最大误差约为4%,平均误差为2%;轴向负载80N时,转子由上定子气隙处保护磁轴承起浮,稳定悬浮后轴向单边位移约为25μm,轴向负载120N时,转子由下定子气隙处保护磁轴承起浮,稳定悬浮后轴向单边位移约为35μm,所设计的磁轴承具有良好的卸载与悬浮性能。研究结果可为高集成、低损耗、高可靠性的飞轮电池系统设计提拱参考。     

离心泵平衡腔液体压力的计算与验证

针对开平衡孔双密封环叶轮离心泵的平衡腔液体压力计算问题,基于液体通过叶轮平衡孔和后密封环间隙的泄漏量相等,引入了压力系数p和比面积k2个无因特征参数,推导出了平衡腔液体压力计算模型,其关系曲线为p= f (k )的无因次曲线,并给出了待定系数 a、b 的计算方法。在3BA-6泵上,取与计算相同的叶轮平衡孔直径进行了试验验证。结果表明,在泵设计工况下平衡腔液体压力的试验与理论无因次曲线较为一致,验证了平衡腔液体压力计算模型的正确性与可行性。该研究可为开平衡孔双密封环叶轮离心泵轴向力计算提供基础理论。     

轴流泵叶片设计协同优化算法

为满足轴流泵叶片的水力和结构性能,对轴流泵叶片采用基于i S I G H T的多学科设计优化。在确立叶栅稠密度及其沿展向变化规律、轮毂比和厚度比作为设计变量的基础上,建立了轴流泵叶片多学科协同优化模型,提出了协同优化算法在轴流泵叶片多学科设计优化过程中的改进方法,系统级采用约束松弛法,子系统级采用响应面法。经实例运行,证实了基于约束松弛的协同优化算法能够很好地解决轴流泵泵叶片设计中2个学科的耦合以及数据量大和数据关系复杂的问题。同时约束松弛法的引入又使得协同优化的计算收敛更快,可靠性更高。通过模型泵试验证实了多学科设计优化提高了轴流泵叶片的综合性能,可有效兼顾高效、轻量化的要求。     

高速磁力泵隔离套的磁涡流损失

为了快速准确地研究不同金属材料的隔离套对高速磁力泵磁涡流损失的影响。该文利用ANSYS软件分别对采用不同金属材料TC4和1Cr18Ni9Ti的磁力泵隔离套进行有限元分析,得到涡流损失数值分析结果,并与涡流损失试验值进行对比。对比表明:在除隔离套材料不同外其余完全相同的条件下,1Cr18Ni9Ti材料隔离套产生的涡流损失是TC4材料的2.26倍,模拟值与试验值基本吻合。磁涡流损失的模拟方法是可行的。验证了TC4钛合金是高速磁力泵隔离套的理想材料。     

离心泵压水室内部定常和非定常流动PIV测量

为研究离心泵压水室内的流动特性,利用PIV技术在内同步和外同步模式下分别测量了其内部的定常和非定常流场,详细分析了压水室内部流动现象和流动规律。结果表明,压水室内速度沿轴向分布均匀,随圆周角增大而减小;在叶轮和压水室的交界处,存在清晰的速度分界线;受蜗舌的分流作用,部分流体回流入叶轮流道,扩散管入口处速度显著降低;压水室内部周期性非定常流动规律明显,第VIII断面上,速度的大小和波动幅度沿径向均呈减小趋势,周向速度的波动与叶轮流道内部高速流区的位置有关,而径向速度的波动主要受叶片干扰和哥氏力的影响。研究结果为压水室设计以及离心泵内部流动的试验研究提供了借鉴。     

泵轮轴向振动条件下高速液力耦合器特性

针对泵轮轴向振动条件下高速液力耦合器特性问题,基于RNG k-ε模型、流体体积法(volume of fluid,VOF)两相流模型、动网格技术、压力隐式算子分裂(pressure-implicit with splitting of operators,PISO)算法和变时间步长法对液力耦合器泵轮在轴向振动条件下的内流场进行数值模拟,通过试验完成对模型的准确性验证。分析液力耦合器流道内部两相流动规律以及受力特性,结果表明:与径向振动相比,相同振幅条件下的轴向振动对循环圆内流量脉动和泵轮、涡轮转矩影响较大;额定转速越高,其泵轮、涡轮转矩脉动幅值、轴向力波动范围越大;振动频率越大,泵轮、涡轮转矩偏差越大;轴向振动幅值越大,泵轮涡轮转矩波动范围越大。从减小转矩波动范围和轴向力的角度控制轴向窜动值不应超过0.04 mm较为合适。