（流体机械及工程专业论文）多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密一。 学位论文作者签名：仃嚷峰 2 0 11 年6 月1 5 日 指导教师签名：当) 陬枷 夕f 年6 月f 妇 多 江苏大学硕士学位论文 摘要 随着我国经济的飞速发展，对石油需求量越来越大，而我国能源结构是煤多油少， 因此，通过煤炭获取石油产品已成为满足我国石油需求，应对能源挑战一项重要战略措 施。煤制油泵是煤炭获取石油产品工艺中的重要设备之一，国内现有煤制油泵都是从国 外进口，价格高还得不到相应的技术。针对煤制油泵的现状，对煤制油泵的设计和可靠 性进行深入研究，不仅具有重要的实际工程意义，同时也具有较高的学术价值。 本文通过对多级蜗壳式煤制油泵结构与水力设计、内部流动数值模拟、流固耦合有 限元动力学特性进行研究，以提高多级蜗壳式煤制油泵的效率和可靠性。本文主要研究 内容包括以下几个部分： 1 针对多级蜗壳式煤制油泵主要应用领域，总结现有多级离心泵的结构设计优、 缺点后，对多级蜗壳式煤制油泵的结构进行了设计。 2 参考优秀水力模型和借鉴成熟设计经验，采用速度系数法对多级蜗壳式煤制油 泵的的吸水室、各级叶轮和蜗壳进行了水力设计。实现了多级蜗壳式煤制油泵水力和结 构的国产化设计。 3 利用c f d 软件f l u e n t 6 3 ，对多级蜗壳式煤制油泵各级泵进行了内部流动数值 模拟，分析了各级泵流道内静压、速度的流动特性。在内部流动数值模拟的基础上，对 各级泵能量性能进行了预测。 4 基于有限元软件a n s y s ，对整个转子振动模态进行了有限元分析，得到了转子 1 0 阶固有频率和相应振型图。根据多级蜗壳式煤制油泵转子部件的固有频率，计算出了 该转子相应的“干 临界转速。通过做有预应力的模态分析，得到了转子部件“湿”临 界转速，并将“干 、“湿”临界转速数值和振型进行了对比分析。 5 实现了离心泵叶轮和蜗壳的内流场和结构场双向同步交替求解。基于叶轮和蜗 壳的内流场和结构场的流固耦合数值模拟，对多级蜗壳式煤制油泵各级泵不同工况流固 耦合作用前后内部流场变化情况进行了分析，并对流固耦合作用前后各级泵各璐测点压 力进行了对比分析，同时对流固耦合作用后各级泵的结构动力特性进行了分析，得到了 不同工况条件下各级泵在一个周期内的结构变形和应力特性。 关键词：多级离心泵，水力设计，数值模拟，流固耦合，模态分析 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y , t h ed e m a n df o ro i li sg e t t i n g g r e a t e ra n dg r e a t e r h o w e v e r , t h e r ei sm o r ec o a lt h a na n yo t h e re n e r g yi nt h ee n e r g ys t r u c t u r e o fo u rc o u n t r y , w h i l eo i la c c o u n t sf o ras m a l lp r o p o r t i o ni nt h i ss t r u c t u r e t h e r e f o r e ，i ti sa s i g n i f i c a n ts t r a t e g i cm e a s u r et oo b t a i no i lf r o mc o a lt om e e tt h ed e m a n df o ro i la n dr e s p o n d t o t h ee n e r g yc h a l l e n g ei nc h i n a t h em u l t i s t a g ep u m pw i t hv o l u t ei so n eo ft h ei m p o r t a n t e q u i p m e n t si n t h et e c h n o l o g yo fg e t t i n go i lf r o mc o a l c u r r e n t l y , t h i sp u m p su s e di nt h e t e c h n o l o g yo fg e t t i n go i lf r o mc o a la r e a l li m p o r t e d a sar e s u l t , t h ep r i c eo ft h ep u m pi sh i g h m e a n w h i l e ，t h ea p p r o p r i a t et e c h n o l o g yc a nn o tb ea c h i e v e d i nv i e wo ft h ep r e s e n ts i t u a t i o n ， i ti sv e r yi m p o r t a n tt od oas e r i o u ss t u d yo nt h ed e s i g na n dr e l i a b i l i t yf o rt h ep u m p ，w h i c hi s b o t ho fv i t a ls i g n i f i c a n c ei np r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n dh i g ha c a d e m i cm e a n i n g t h i sp a p e rf o c u s e do nt h es t u d yo ft h eh y d r a u l i cd e s i g n ，s t r u c t u r a ld e s i g n ，t h en u m e r i c a l f l u i ds i m u l a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sw i t l lf l u i d - s o l i di n t e r a c t i o no f t h em u l t i - s t a g ep u m pw i t hv o l u t eu s e di nt h et e c h n o l o g yo fg e t t i n go i lf r o mc o a l ，w h i c ha i m s t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i 哆o ft h i sp u m p t h em a i nr e s e a r c ha n da c h i e v e m e n t so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h em a i na p p l i c a t i o na r e a so ft h em u l t i s t a g ep u m p 丽t hv o l u t e ，t h e s t r u c t u r eo ft h i sp u m pw a sd e s i g n e da f t e rs u m m a r i z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h es t r u c t u r eo fm u l t i s t a g ec e n t r i f u g a lp u m p s 2 r e f e r e n c i n gh y d r a u l i cm o d e la n dl e a r n i n gf r o mm a t u r ed e s i g ne x p e r i e n c e ，t h es u c t i o n c h a m b e r , i m p e l l e ra n dv o l u t eo f a l ls t a g e s h y d r a u l i co ft h em u l t i s t a g ep u m pw i t hv o l u t ew e r e d e s i g n e db ya d o p t i n gs p e e dc o e f f i c i e n tm e t h o d t h es t r u c t u r a la n dh y d r a u l i cd e s i g no ft h i s p u m pw e r ef i r s tf i n i s h e di no u rc o u n t r y 3 t h ei n t e r n a lf l o ww a ss i m u l a t e db yf l u e n t6 3 丽t h i ne v e r ys t a g ep u m po ft h e m u l t i s t a g ep u m pw i t hv o l u t e t h e nt h es t a t i cp r e s s u r ea n dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fs p e e d w e r ea n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h ee n e r g yp e r f o r m a n c eo ft h ep u m pa ta l ls t a g e sw a sp r e d i c t e do n t h eb a s i so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 4 a f t e rt h ev i b r a t i o nm o d e lo fe n t i r er o t o rf o rt h ef i n i t ee l e m e n tw a sa n a l y z e db yt h e f m i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s ，1 0n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o n m o d e ld i a g r a mc a nb eo b t a i n e d t h e nt h ec o r r e s p o n d i n g “d r y c r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e d sw e r e c a l c u l a t e dt h r o u g ht h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h em u l t i s t a g ep u m p 、析t l lv o l u t e t h e w e t c r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e d sw e r ec a l c u l a t e db ym a k i n ga na n a l y s i so fp r e - s t r e s s e dm o d e l a f t e r m 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 m a t , d r y a n d w e t ”c r i t i c a lr o t a t i o n a ls p e e d sv i b r a t i o nv a l u e sw e r ec o m p a r e d 5 an u m e f i c a ls i m u l a t i o no fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef l o w 丘e l da n ds t r u c t u r ef i e l do f e v e r ys t a g ep u m po ft h em u l t i s t a g ep u m pw i t i l v o l u t ew a sf i r s t l ye s t a b l i s h e d u s i n g s y n c h r o n o u sa l t e r n a t i n gm e t h o d i na d d i t i o n ，t h ec h a n g eo ff l o wf i e l dw a sa n a l y z e dw i t ha n d w i t h o u tf s im e t h o d a n dt h e nt h ep r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t so fe v e r ys t a g ep u m pw e r e c o m p a r e dw i t ha n dw i t h o u tf s im e t h o d m e a n w h i l e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r ys t a g e p u m p w e r e a n a l y z e db ya d o p t i n g f s im e t h o d s t r u c t u r a ld e f o r m a t i o na n ds t r e s s c h a r a c t e r i s t i c so fe v e r ys t a g ep u m pw e r eo b t a i n e di no n ec y c l eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：m u l t i s t a g ec e n t r i f u g a lp u m p ，h y d r a u l i cd e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u i d - s o l i d i n t e r a c t i o n , m o d a la n a l y s i s i v 第一章 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 绪 研究 研究 国内 1 3 1 1 3 2 1 3 3 1 3 4 1 3 5 主要 多级 设计 结构 各级 2 3 1 2 3 2 半螺 各级 2 5 1 2 5 2 多级 三维 网格 内部 3 3 1 3 3 2 3 3 3 3 3 4 模拟 3 4 1 3 4 2 3 4 3 3 4 4 性能 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 3 5 1 性能预测模型3 0 3 5 2 性能预测分析3 1 3 6 外特性实验3 2 第四章多级蜗壳式煤制油泵转子动态特性分析3 5 4 1 模态分析理论3 5 4 1 1 模态分析计算理论3 5 4 1 2 模态阶数的提取3 6 4 2 模态分析过程3 6 4 3 模态分析结果3 8 4 4 转子的临界转速分析3 8 第五章多级蜗壳式煤制油泵流固耦合分析4 2 5 1 流体弹性结构系统的控制方程4 2 5 1 1 不可压缩粘性流体的有限元方程4 2 5 1 2 弹性体动力学有限元方程4 3 5 1 3 流固耦合的有限元方程4 4 5 2 流固耦合求解过程的建立。4 5 5 2 1 各级泵实体造型与网格划分4 5 5 2 2 流固耦合计算的实现过程4 6 5 3各级泵变形对流场影响分析4 7 5 3 1 首级泵流固耦合前后内部流动对比分析4 7 5 3 2 次级泵流固耦合前后内部流动对比分析5 1 5 3 3 末级泵流固耦合前后内部流动对比分析5 5 5 4 各级泵流固耦合前后监测点压力对比分析。6 0 5 4 1 首级泵流固耦合前后监测点压力对比分析6 0 5 4 2 次级泵流固耦合前后监测点压力对比分析6 1 5 4 3 末级泵流固耦合前后监测点压力对比分析6 2 5 5 各级泵结构动力特性分析6 4 5 5 1 首级泵流固耦合后结构动力特性分析6 4 5 5 2 次级泵流固耦合后结构动力特性分析6 7 5 5 3 未级泵流固耦合后结构动力特性分析7 0 第六章总结与展望 7 4 6 1 研究总结7 4 6 2 研究展望7 5 参考文献 致谢 攻读硕士期间参加的科研项目和发表的学术论文 v i 7 6 8 0 8 1 注：文中对 蝈 既 玩 现 协 凡 g 日 万 m p q 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 能源是经济的命脉，是发展国民经济和提高人民生活水平的重要保障。随着我国能 源供求矛盾的大大缓和，能源结构矛盾已上升为主要矛盾。不合理的能源结构将会成为 制约国民经济持续、快速、健康发展的重要因素之一【1 1 。我国能源资源条件决定了能源 结构是以煤为主，能源探明总储量的结构为：原煤8 7 4 ，石油2 8 ，天然气0 3 ， 水能9 5 。能源剩余可采总储量的结构为：原煤5 8 8 ，石油3 4 ，天然气1 3 ，水 能3 6 5 。可见，煤炭在中国能源资源中占绝对优势地位，而油气资源量很2 】。 除此之外，当前国际石油价格居高不下，而且西方发达国家对中国进行石油遏制， 在全球范围内同中国展开争夺石油资源的竞争，因此中国的石油安全面临着巨大的挑 战。在这样的背景下，如何通过煤炭获取石油产品成了满足中国能源需求，应对能源挑 战的一个重要战略措施。同时，合理开发煤炭资源，节约使用、发挥其潜能，这对国民 经济可持续发展也同样具有重大意义。 为此，在能源需求不断提高的今天，为了减少进口，避免投资费用过高，对煤炭获 取石油产品关键设备的研制显得十分重要。煤制油泵是煤制油工艺中的重要设备之一。 国内现有煤制油泵都是从国外进口，价格高还得不到相应的技术。针对煤制油泵的现状， 对煤制油泵的设计和可靠性进行深入研究，不仅具有重要的实际工程意义，同时也具有 较高的学术价值。 1 2 研究目的 通过对多级蜗壳式煤制油泵结构、水力设计、内流场数值模拟和对叶轮转子动力学 等方面的研究，初步掌握该类型泵的结构和水力设计方法，提高该泵的效率，同时解决 制约该泵可靠性的技术难题，为最终实现该泵系列产品的国产化提供理论基础。 1 3国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 多级离心泵及其研究现状 多级离心泵是将具有同样功能的两个以上的泵集合在一起，流体通道结构上，表现 在第一级的介质泄压口与第二级的进口相通，第二级的介质泄压口与第三级的进口相 通，如此串联的机构形成。 1 多级离心泵的结构形式 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 。多级离心泵的结构形式多样。根据壳体剖分方式可以分为中开式和节段式两种。对 于压力非常高的泵，用单层泵的壳体难以承受其压力，常采用双层泵壳体，把泵制作成 筒体式。筒体式泵承受较高压力，筒体内安装水平中开式或节段式的转子【3 1 。 ( 1 ) 水平中开式多级离心泵 水平中开式多级离心泵是上下泵通过轴心的水平剖分面上对接，进出口管、部分蜗 壳及流道铸造在上下壳体上，这样的结构检修方便，维修时不需拆卸泵的管线便可直接 取下泵的上壳体。而且叶轮可对称布置，消除了作用在转子上的轴向力。但这种结构的 工艺性较差，设备笨重，特别是级与级之间还要相应地配置一些级间过道。另外一个重 要问题是当级数多、扬程较高时，中开面的密封也变得很困难。 ( 2 ) 径向剖分节段式多级离心泵 节段式多级离心泵是每一级由一个位于扩压器壳体内的叶轮组成，扩压器用螺栓和 连杆连在一起，各级以串联方式由固定杆固定在一起，结构紧凑，壳体的铸造工艺性好， 各中段及导叶的形状尺寸皆相同，其个数可根据所需的级数增减，因此便于系列化的生 产，优点是耐高压，不易泄漏，缺点是维修时必须拆卸进口管道，拆装难度非常大。 2 多级离心泵的国内外研究现状 近年来，国内外学者也对多级离心泵做了一些研究，j i a n g 4 1 等人对多级离心泵诱导 振动噪声进行了数值模拟，得到了共振噪声产生的机理；n a q a h a r a 5 1 等人应用c f d 对多 级离心泵水力设计和汽蚀性能进行了研究，预测了其性能，并与实验结果做了对比分析； t a n a k a 6 1 等人针对高效率、高扬程的单级和多级离心泵进行了研究，提出了相应的设计 方案；程云章1 7 l 等人以d 4 5 0 6 0 x 7 型的脱碳多级离心泵为例，模拟了叶轮和导叶内部流 动状况，为改型优化提供了理论依据；欧阳纯宝 8 1 等人对一中开式多级输油离心泵的汽 蚀与效率进行了研究，分析并解决了汽蚀余量与效率的矛盾统一问题；韩建勇【9 】等人研 究了立式多级自吸离心泵的多级叶轮、静压控制回路和螺旋平衡毂的应用，解决了普通 自吸泵扬程低的问题；陆伟刚【1 0 l 等人采用极大扬程设计法，开发了一种深井离心泵，使 单级扬程得到了大大提高；刘元义【1 1 】等人针对冲压焊接多级离心泵吸入口的流态，进行 了理论研究，并将该理论应用于冲压焊接多级离心泵的水力设计中，改善了冲压焊接多 级离心泵的性能，提高了泵效率；张学静【1 2 l 对一多级导叶式离心泵内部流动及性能进行 了预测；付列1 3 】对1 0 0 0 m w 核电站离心式上充泵的水力设计和结构可靠性进行了研究。 从文献资料看出，国内外对于多级离心泵的研究，主要集中水力部件的设计和改进， 但对多级离心泵的流场模拟和结构动念特性等方面的研究显得不足。尤其对多级离心泵 采用流固耦合方法进行数值模拟研究只是处于起步阶段，有必要对其进行深入研究。 1 3 2 离心泵内流场模拟的研究现状 2 随着流动理论和计算机技术的迅速发展，数值模拟成为研究旋转机械内部流动的主 江苏大学硕士学位论文 要方法之一。计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是2 0 世纪 6 0 年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。c f d 可以看做是在流体基本方程( 质量守 恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟， 我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量 随时间的变化情况，还可以据此算出流体机械的转矩、水力损失和效率等【1 4 1 。 离心泵c f d 分析经历了从一维、二维、准三维、三维势流、三维e u l e r 解到目前 的三维粘性流解的发展历程。近年来，随着计算机软硬件技术和计算流体力学数值求解 技术的高速发展，内流数值模拟进入了一个三维粘性数值模拟阶段，通过直接求解 r e y n o l d s 时均化的n a v i e r - s t o k e s 方程及连续性方程，结合湍流模型来计算叶轮内的三维 粘性流动成为离心泵内部流动数值模拟的主流。 目前世界上著名的c f d 通用软件有f l u e n t ，c f x ，n u m e c a 和s t a r c d 。其 中f l u e n t 的市场占有率最高，达到4 0 左右，是目前应用面最广泛，影响最大的c f d 软件。f l u e n t 采用二阶迎风格式对非结构化网格提出多维梯度重构法。这个方法也是 第一个较成功地用于二阶迎风格式，其进一步发展采用最小二乘法估算梯度【1 5 ，1 7 1 ，能较 好地处理畸变网格的计算。f l u e n t 率先采用非结构化网格使它们在技术上处于领先， 也是国内外学者对离心泵的数值模拟所采用的主要商用计算流体力学软件。 近年来，国内外许多学者利用c f d 通用软件对离心泵内部流场数值模拟开展了大 量的研究工作。d i n g h 【1 8 】等人对一轴流泵进行了三维c f d 数值模拟并预测了该泵性能， 在耦合区域，采用了多参考坐标系模型；w e s t r a r w f l 9 1 等人利用p i v 对一低比转速离心 泵内部流动特征进行了测量，并通过c f d 数值模拟了内流场的二次流现象；e s h i 2 0 等 人对一导叶式离心泵进行了非定常数值模拟，通过在导叶流道上布置监测点，得到了导 叶流道内压力脉动规律：徐朝掣2 1 】利用标准k - e 湍流模型、r n gk - e 湍流模型及滑移网 格技术，用f l u e n t 对高速离心泵内全流道的进行了三维非定常湍流模拟；耿少矧碉 对三种不同叶轮的离心泵内部流场进行了三维数值模拟，得到了在无短叶片和有短叶片 两种情况下分别对压力波动的影响；赵斌娟【冽对双流道泵进行了三维非定常湍流数值模 拟；谈明耐2 4 1 应用流场计算法对离心泵的设计点及非设计点能量性能进行了预测并与实 验结果进行了对比和分析，详细研究了流量变化对离心泵内部流场的影响。 通过以上文献可看出，c f d 技术在水力设计中的应用能够精确地分析过流部件的内 部流动运动状况，从而对离心泵过流部件几何尺寸进行优化，以全面提高离心泵各项性 能。在离心泵水力设计中采用c f d 分析和性能预测技术可以大大提高离心泵水力设计 的可靠性，同时缩短产品研发周期。 1 3 。3 流固耦合研究现状及发展趋势 流固耦合力学是流体力学与固体力学交叉产生的一门力学分支。它是研究变形固体 3 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 在流场作用下的各种行为以及固体变形对流场影响这二者交互作用的一门科学。流固耦 合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用( h u i d s o l i di n t e r a c t i o n ，f s i ) ，即变形固 体在流体载荷作用下会产生变形，而变形又反过来影响流场，从而改变流体载荷的分布 和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生各种流固耦合现象【2 5 1 。 根据耦合的物理性质，流固耦合数值模拟有两种方法：直接耦合法和顺序耦合法。 直接耦合法中所有自由度的耦合场单元由一个代码求解，如共轭传热问题。顺序耦合法 包含单向顺序耦合法和双向顺序耦合法。单向顺序耦合法按照定义好的顺序分别对物理 场进行求解。双向顺序耦合法通过不同场之间双向同步求解来实现耦合。 1 9 世纪初，人们就开始注意到流固耦合问题了，对于流固耦合现象的早期认识源于 叶片及机翼的气动弹性问题。随着研究的深入，水泵、水轮机、汽轮机、风机和各种流 体机械的流体弹性振动问题也属于流固耦合问题，这类问题对于工程设计具有十分重要 的意义，它直接影响工程的经济性和可靠性，有时甚至会引起整个结构破坏，造成重大 经济损失【2 6 l 。 近年来，水轮机研究过程中广泛应用了流固耦合方法，m d u b a s 2 7 1 采用有限元软件 a n s y s 计算了混流式水轮机在空气中的静、动态特性；程德林凶应用振动相似理论和 能量法建立了水轮机在水中的固有频率与空气中的固有频率之间的关系式，根据计算得 到的水轮机在空气中的动态特性来分析在水中的特性；朱世林【2 9 1 采用附加质量法计算了 混流式水轮机在水介质中的振动特性，并且对模态作了实验分析；王正伟【删利用变分原 理从理论上推导了转轮叶片在水中振动的有限元方程；王少波【3 1 】用有限元法计算了转轮 叶片在空气及水中的动态特性；谷朝红p 2 】用混合法对转轮叶片进行了流固耦合振动分 析；于建华【3 3 】用有限元法分析了地震作用下水轮机组在水介质中的动态特性，分析了动 压力向量和附加质量矩阵的计算方法。杜建槟、何世江瞰】等人利用旋转周期法和附加质 量法对水轮机转轮叶片系统的动力特性进行了分析计算；梁权伟【3 5 】运用顺序耦合法分析 了转轮体的静强度特性，并用全耦合法进行了转轮在水介质中的动态特性。 针对离心泵的流固耦合研究，在2 0 世纪9 0 年代，b r e n n e n l 3 6 1 就已经在离心泵中发现 了流固耦合现象，同时进行了理论方面的推导。近年来，b e n r a l 3 7 】等人分别采用单向顺 序耦合和双向顺序耦合的两种计算方法，基于c f d 软件和有限元软件分析了单叶片无堵 塞离心泵转子部件偏心以及所受的水力激励，两种耦合方式下的计算结果，分别与试验 数据进行对比发现双向顺序耦合的计算的转子偏心和水力激励结果更接近试验值。 k a t o l 3 8 】等人采用单向顺序流固耦合的方法，对多级离心泵噪声的进行了模拟，并提出了 减小多级离心泵噪声行之有效的方法。n i s h i m o t o i 3 9 1 等人采用c f d ，应用单向顺序耦合 的模拟方法对l e 7 a 氢泵的振动特性进行了研究，揭示了流固耦合在该泵分析中的可行 性；g u a d a q n i 等人【加l 采用流固耦合方法对一新型泵结构动力特性进行了模拟，并通过实 验测试验证了模拟结果的准确性；裴吉【4 1 】等人采用双向同步求解的方法对离心泵内流场 4 江苏大学硕士学位论文 和叶轮结构响应进行联合求解，分析了叶轮流固耦合作用对离心泵内部流场的影响，但 结构体没有考虑蜗壳对内流场的影响。 总之，在离心泵研究中应用流固耦合方法的相关文献还较少，该项研究仍然处于起 步阶段，尤其是同时考虑叶轮和蜗壳对内流场的影响的研究目前还没有。因此采用双向 同步求解流固耦合方法同时考虑叶轮和蜗壳两个过流部件对离心泵进行深入的研究显 得非常必要。 1 3 4 转子动力学研究现状及发展趋势 随着各种旋转机械转速的不断提高，如高速泵、压气机、气轮机等，对转子性能要 求越来越高。转子部件是离心泵的核心部件之一，而多级离心泵转子部件因其特殊性对 可靠性有着更高的要求，分析可靠性就要求解临界转速。对于多级离心泵转子部件，当 工作环境处于空气中的临界转速，称为“干 临界转速，而处于液体状态下的临界转速， 称为“湿”临界转速。在工程中，不但要求解转子“干”临界转速，还要计算它的“湿 临界转速，这样可以用更接近工程实际情况中的临界转速来分析可靠性，计算“湿”临 界转速一般采用流固耦合的方法。 国内外学者对转子可靠性也做了相应的研究，s t e i n b r e c h e r l 4 2 1 等人采用c f d 方法对离 心泵转子可靠性进行了数值模拟研究；陈宁【4 3 l 等人对多级离心泵转子部件进行了有限元 分析，初步探讨了流固耦合作用力对振动频率的影响，为多级泵的结构设计和校核提供 依据；袁振伟【删等人利用流固耦合分析得到了考虑流体作用的转子动力学有限元模型； 孙启斟4 5 】等人对流体机械浸液转子的动力学特性进行了研究；孙晓林【蛔对多级离心泵转 子系统进行了动态分析。 由以上文献可以看出，随着科学技术不断发展，在转子进行动力学研究中采用流固 耦合方法通过数值模拟进行可靠性研究已经成为一种新的发展趋势，尤其在离心泵转子 研究中采用流固耦合方法可以用更接近工程实际情况的研究结果来分析转子可靠性，对 泵转子的优化设计和可靠性分析更具有实际工程应用价值。 1 3 5 煤制油技术概述 煤制油是指将煤转化加工，生产出汽油、柴油、液化石油气等液体燃料的煤液化技 术，从技术路线上可分为“直接液化”和“间接液化 两种 4 7 , 4 8 1 。 1 直接液化是把煤直接转化成液体产品。 其工艺主要有供氢溶剂法( e d s ) 、氢一煤法等。e d s 法是煤浆在循环的供氢溶剂中 与氢混合，溶剂首先通过催化器，拾取氢原子，然后通过液化反应器，释放出氢原子， 使煤分解；氢一煤法是采用沸腾床反应器，直接加氢将煤转化成液体燃料。2 0 世纪8 0 年代开发出的煤一油共炼工艺，提高了煤液化的经济性。煤一油共炼是煤与渣油混合成油 5 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 煤浆，再炼制成液体燃料。由于渣油中含有煤转化过程所需的大部分或全部的氢，从而 可以大幅度降低成本。 2 间接液化是先把煤气化，生产出原料气，经过净化后再合成油。 目前，间接液化已在许多国家实现了工业生产，主要分两种生产工艺，一是费托 ( f i s c h e r - t r o p s c h ) 工艺，将原料气直接合成油；二是摩比尔( m o b i l ) 工艺，由原料气合成 甲醇，再由甲醇转化成汽油的。 1 4 主要研究内容 根据大量国内外相关文献和多级蜗壳式煤制油泵的工作环境，本文对其结构和水力 部件进行了设计，并对动力特性和可靠性进行了研究，主要研究内容有： ( 1 ) 总结现有多级离心泵的结构设计优、缺点后，对多级蜗壳式煤制油泵的结构 进行设计。应用离心泵水力设计理论，设计该泵的吸水室、首级叶轮、次级叶轮、末级 叶轮以及首级蜗壳、次级蜗壳、末级蜗壳等过流部件。 ( 2 ) 对多级蜗壳式煤制油泵内部流动进行数值模拟，研究各级泵的内部流动状况， 在内部流场数值模拟的基础上，对各级泵能量性能进行预测。 ( 3 ) 基于流固耦合对多级蜗壳式煤制油泵转子动态特性进行分析，计算转子部件 的临界转速，以此判断转子部件结构设计的可靠性。 ( 4 ) 基于流固耦合对多级蜗壳式煤制油泵流场与结构动力特性进行分析，研究流 固耦合作用对各级泵内流场的影响和结构体应力、应变特性。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章多级蜗壳式煤制油泵的设计 本章根据煤制油泵设计的基本要求，通过总结现有多级离心泵结构设计优、缺点后， 对其结构进行了设计，同时采用速度系数法对该泵的水力部件进行了设计。 2 1 设计基本要求 煤制油泵的设计参数为q = 5 4 0 m 3 h ，h = 1 0 4 0 m ，n - - 2 9 8 0 r m i n ，q = 6 8 ，同时要求该 泵运行时振动和噪声较小。 2 2 结构设计 煤制油泵的设计扬程为1 0 4 0 m ，由于设计扬程较高，单级离心泵无法达到设计要求， 因此必须设计为多级离心泵。为了得到较高的效率，根据式( 2 1 ) ，决定取i = 8 ，这样 单级扬程为1 3 0 m ，比转数为1 0 9 。 亿= 等 弦21 11 d 亿2 _ 二专矿 l 。， fl l 了j 考虑到水平中开式多级离心泵在应用和维修方面具有较大的优势，而且能将整体叶 轮呈背靠背对称布置，这样可以最大程度的平衡轴向力，保障泵运行过程中的稳定性， 在煤化工工艺中得到广泛应用【4 9 跚。因此，本文选用水平中开式多级蜗壳式离心泵结构。 图2 - 1 多级蜗壳式煤制油泵结构图 图2 - 1 为多级蜗壳式煤制油泵结构图。多级蜗壳式煤制油泵由于在高压下运行，外 壳的设计、制造应具备足够的强度和刚度，所以外部承压壳体选用材料z g 3 1 0 5 7 0 钢铸 造加工而成。上下泵通过轴心的水平剖分面上对接，进出口管、蜗壳及流道铸造在上、 下泵壳体上，泵壳的两部分通过双头螺柱装配起来。 7 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 2 3 各级叶轮设计 2 3 1 首级叶轮设计 由于该泵流量很大，所以首级对汽蚀性能要求高，因此首级叶轮设计为双吸叶轮。 根据设计要求，由于双吸叶轮流量取一半，因此选定首级叶轮设计参数为q = 2 7 0 m 3 h ， h = 1 3 0 m ，n = 2 9 8 0 r m i n ，n s = 7 7 4 。 1 叶轮进1 2 1 直径d ， 要确定叶轮进口直径，首先计算叶轮进口当量直径d o 【5 1 l ： d o = k o ( q 以) 3 ( 2 2 ) d ，= 坟2 + a h 2 ( 2 - 3 ) 式中忌d - 进口直径系数，取值范围为：主要考虑效率，= 3 5 4 0 、兼顾效率和汽蚀， = 4 0 4 5 、主要考虑汽蚀，= 4 5 5 5 。 由于首级叶轮兼顾效率和汽蚀，综合考虑，取为4 3 5 ，根据最小轴径以及轴结构 的需要确定首级叶轮轮毂直径d h = 1 0 5 m m ，计算得d o 为1 2 6 6 m m ，o j 为1 6 4 5 m m ，最 终圆整为1 6 5 r a m 。 2 叶轮出口直径d 2 d 2 = b 摆 ( 2 4 ) k d 2 = ( 9 3 5 1 0 1 ) ( 急叫2 ( 2 - 5 ) 考虑泵和叶轮结构形式，取锄系数为9 4 ，得锄为1 0 7 0 ，d 2 为3 1 3 6 m m ，圆 整为3 1 4 m m 。 3 叶轮出1 2 1 宽度6 2 研究表明下式在比转数小于1 2 0 时，幻的计算结果更为准确1 5 筇4 1 。 如_ 0 7 8 ( 志) 叫詈 ( 2 - 6 ) 根据采用材料以及流道表面光洁度，根据上式计算得6 2 为2 0 1 m m ，综合考虑，最 后取为2 0 m m 。 4 叶片出口安放角尼 一般清水离心泵的出e l 安放角尾取1 5 。 - 4 0 。，出e l 安放角越小，扬程曲线越陡，但 如果伤取值过大会使叶片问相对流动扩散严重，也会使扬程曲线出现驼峰并会增加压水 8 江苏大学硕士学位论文 室内的水力损失【5 5 1 。同时，出i s i 安放角皮在比转速较小时，叶片出口安放角取大值， 反之，比转速较大时，叶片出i e i 安放角取小值。另外出口安放角皮与叶片数也有较大的 关系。根据首级叶轮的设计扬程、叶轮外径和比转数，经计算确定出口角为3 4 。 5 叶片包角 一般较大的叶片包角可改善叶片间的流动状态，减少扩散损失，增强叶片的做功的 效能。因此综合考虑，取叶片包角为1 1 8 。【5 6 1 。 6 叶片数的确定 叶片数对泵的扬程、效率和汽蚀性能都有一定的影响，是泵的重要几何参数之一。 叶片数过多则叶轮内排挤现象严重，流速增大且液流与叶片接触面的增大会导致水力损 失的增大；叶片数太少则流道的扩散程度越大进而也会增加水力损失【5 ”9 】。参考类似水 力模型且考虑到首级叶轮对汽蚀性能要求较高以及较大的包角，同时尽量减少叶片的排 挤和表面的摩擦，所以取叶片数为5 。 7 首级叶轮水力图 首级叶轮水力图，如图2 2 所示。 图2 - 2 首级叶轮水力图 2 3 2 次级叶轮、末级叶轮设计 由于次级和术级叶轮为有压进口，对汽蚀性能要求低，设计过程中主要考虑效率因 素，次级和末级叶轮都设计成单吸的结构形式。次级和末级叶轮设计参数为流量 q = 5 4 0 m 3 h ，扬程h = 1 3 0 m ，转速n - - 2 9 8 0 r m i n ，n 。= 1 0 9 。 1 叶轮进口直径d f 根据轴结构确定中间级和末级叶轮轮毂直径d h = 1 0 0 m m 。由于次级、末级叶轮对效 率要求高，取为3 4 0 ；由式( 2 2 ) 、( 2 3 ) ，计算得风为1 2 4 9 m m ，d ，为1 5 9 9 m m ， 最终圆整为1 6 0 m m 。 9 多级蜗壳式煤制油泵的设计和可靠性分析 2 叶轮出口直径d 2 根据首级叶轮外径以及泵整体结构的工艺，确定中间级和末级叶轮出口直径仍为 3 1 4 m m 。 3 叶轮出口宽度如 次级和末级叶轮出口宽度由式( 2 6 ) 计算，计算得如为3 0 1 m m ，最后取为3 0 m m 。 4 叶片出口角安放角尼 根据中间级叶轮的设计扬程、叶轮外径和比转数，经计算确定出口角为3 6 。 5 叶片包角 考虑到较大包角会增加次级、未级叶轮内沿程摩擦损失，从而降低泵的效率，故次 级、末级叶轮叶片包角取为1 0 2 。 6 叶片数的确定 叶片数对泵的扬程、效率、汽蚀性能都有一定的影响，考虑到次级、末级叶轮对效 率要求较高，所以取叶片数为7 。 7