开题报告-单级离心泵轴向平衡装置的性能分析及结构优化设计

XXXXXX设计（XX）开题报告题目：单级离心泵轴向平衡装置的性能分析及结构优化学生姓名：院（系）：专业班级：指导教师：完成时间：20年月日

1.课题的意义单级离心泵在电力、机械、室友化工等行业被广泛应用，轴向力的有效平衡是保证单级离心泵运行可靠性和使用寿命的重要前提，如何平衡轴向力一直是单级离心泵设计的关键问题之一。我们知道离心泵在运行过程中由于进出口压力的不同，以及流体在泵的进出口的运动状态发生的变化等等因素，在离心泵转子上产生不同方向和大小的轴向力，这些轴向力的合力，会使离心泵的转子在其轴向窜动。这种窜动的后果是严重的，他会使泵的转子与固定零件接触产生摩擦，造成泵零件的损坏以至于不能工作。因此在机械上必须消除或平衡掉这些轴向力，使泵可以正常稳定的工作，保证其工作寿命。单级离心泵由于扬程高，其轴向力会很大，轴向力平衡的好坏直接影响泵的可靠性和效率。在实际使用中，大部分单级泵的失效都是由于平衡装置发生故障造成的[1]，因此，轴向力平衡装置的合理设计非常重要。轴向力的平衡主要采用平衡鼓、平衡盘以及平衡鼓与平衡盘的联合机构。近年也有学者设计或改进了一些新型的平衡装置以满足不同的结构和使用需要[2-7]。2.国内外研究现状2.1国外研究情况在国外，单级离心泵平衡转置研究以欧洲、美国、日本为代表，这些国家的工业发展代表了当今这个行业发展的最高端的水平。目前国外著名离心泵技术发展优先项目点可归结为：高速、高精度、环保、智能、复合化。国际上把流体力学的发展当做一个国家生产设备高科技、高效率、高智能的标志。归因于它特殊地位，特别是对于机械、航海、石油化工工业的重要影响，国外政府也给予高度重视。在国际上，国家和发展中国家对先进惯性制导技术普遍重视，因此俄罗斯、美国、法国、英国、瑞士、中国等国家都对其投入了大量人力和资金对离心泵技术进行深入研究。首先，美国的多级离心泵研究一直处于世界先进水平，其次，英国、德国、瑞士和法国等国家的技术也具有一定代表性，质量和性能也很突出。2.2国内研究现状由于我国工业起步比较落后，直到解放后，随着工业的发展，才有了自己的工业，生产一些各种流体机械部件。因而，研究本课题对国家科学技术水平的提升和综合国力水平的提高有着重要实际意义。目前，对于新型轴向力平衡装置，缺少直接的理论公式和经验公式用于结构尺寸确定，而用实验手段获得最佳结构参数又将耗费大量精力。计算流体力学（computationalfluiddynamics，CFD）技术近年来被国内学者广泛应用，并在泵的性能预测与优化[8-9]、流场计算[9-10]、间隙流动模拟[11-12]等方面作了大量研究。借助CFD技术，通过研究平衡间隙内流场特性，得到轴向力平衡机理是最有效的研究手段之一，杨绍宇等[14-15]通过间隙内流动的分析与流体力计算研究了叶轮口环、轴向间隙流场及动力学特性，目前，单级离心泵平衡转置主要采用以下方案：（1）轴向力的平衡方法，对于轴向力不大的小型泵，通常采用推力轴承承受轴向力。这种方既简单又法经济适用，即使在采用其他的平衡装置，考虑到总有一定的残余轴向力，有时也装推力轴承。（2）平衡孔配密封环（或平衡管），平衡孔配密封环平衡轴向力的效果是减小轴向力，而不能完全平衡轴向力。这种平衡方式减少轴向力的程度取决于孔的数量和孔径的大小，通常取平衡孔的总面积等于5倍平衡环间隙面积。这种情况下任有10%～15%的不平衡轴向力。（3）双吸叶轮，双吸叶轮由于结构对称，能平衡轴向力，但是由于制造误差，以及两侧密封环磨损不同，亦会存在一定的残余的轴向力。（4）背叶片，背叶片除平衡轴向力外，同时能减小轴封前液体的压力，装背叶片的泵扬程大约提高1%～2%，但泵的效率下降2%～3%。本文拟采用第（4）方案结构。3.研究的内容及方案3.1研究内容初步验证了采用CFD技术研究间隙结构动力学性能的可行性，得到高性能的轴向力平衡装置结构和几何尺寸，并为结构设计和优化提供基础，应用软件对装置内的流场进行了数值计算，分析不同轴向间隙、径向间隙和滑动轴承长径比下的轴向力平衡性能，得出关键参数对装置工作状况的影响，为该装置的设计提供建议和依据。设计单级离心泵轴向平衡转置应考虑以下几点：应有承载压力；应可以适应多型号的泵，使使用范围尽可能广泛；能保证不平衡轴向力可以调节，即具有可调节范围；应有足够的强度和刚度。3.2研究方案（1）利用流体力学（CFD）方法分析平衡装置内部的流场结构，并计算其轴向平衡装置进行平衡力的数值计算。（2）针对单级离心泵的的压力和性能特点，设计一种可进行力平衡调节的轴向力平衡装置，并对其三维模型进行设置。（3）利用FLuent软件对设计出来的平衡装置进行流体仿真和结构仿真，证明用优化分析功能实现结构优化分析的可行性，从而为其它复杂结构的优化分析提供了新的方法和依据。3.2.1实验工具—UG/FluentUG是实现三维造型的常用软件，UG（UnigraphicsNX）是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。本文利用UG进行单级离心泵轴向平衡转置三维模型的设计。Fluent仿真软件在流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。通过Fluent强大的仿真功能对单级离心泵轴向平衡装置的结构进行不断优化，包括平衡装置中密封参数优化分析，密封腔深度、齿宽、齿数等参数的优化。结果表明，合理的结构设计可以提高安全性和经济性，并为工程上的机械零部件的优化设计提供了依据。3.2.2设计方案本课题设计的单级离心泵轴向平衡转置，首先需要考虑到泵所受压力的分布规律和压力的数值大小，同时需要考虑到产生不对称轴向力的主要原因。基于目前单级离心泵轴向力的平衡主要通过在叶轮的后盖板上加铸几个径向肋筋，称为背叶片。能减少轴端密封处的液体的压力，防止杂质进入轴封。确定相关的设计方案，同时确定其基本结构，通过UG软件绘制成型，然后使用Fluent软件进行仿真。4.阶段进度计划（1）搜集相关文献资料2017.12.25-2018.1.5（2）撰写开题报告2018.1.10-2018.1.12（3）寒假期间搜集相关文献2018.1.13-2018.3.3（4）对外文文献进行选读2018.3.4-2018.3.6（5）总体方案设计2018.3.7-2018.3.9（6）总装配图的绘制、零件图的绘制2018.3.20-2018.5.4（7）毕业设计（论文）的撰写2018.5.5-2018.5.315.参考文献[1]刘在伦，齐学义，李琪飞．新型轴向力平衡装置轴向力的计算[J]．农业机械学报，2015，36(2)：58－60．[2]阮志坤，周淑萍．浮动叶轮自动平衡离心泵轴向力的原理和实践[J]．水泵技术，2012，(5)：29－32．[3]关醒凡．新型深井潜水泵轴向力平衡装置的原理和计算[J]．中国机械工程，2015，6(S1)：15－17.[4]刘厚林，袁寿其，施卫东，等．双流道泵性能预测的研究[J]．农业工程学报，2013，19(4)：133－135．[5]刘胜柱，郭鹏程，罗兴锜．离心泵叶轮内的网格生成与计算流体力学分析[J]．农业工程学报，2014，20(5)：78－81．[6]王春林，刘红光，司艳雷，等．旋流自吸泵泵体结构参数的优化设计[J]．农业工程学报，2009，25(11)：146－151．[7]赵斌娟，袁寿其，陈汇龙．基于滑移网格研究双流道泵内非定常流场特性[J]．农业工程学报，2009，25(6)：115－119．[8]LiuHoulin,YuanShouqi,ShiWeidong,etal.Numericalsimulationforincomprehensibleturbulentflowinimpellersofdouble-channelpumps[J].TransactionsoftheCSAE,2002,18(2):9－12.[9]LiuHoulin,LuBinbin,TanMinggao,etal.NumericalSimulationonsolid-liquidtwo-phaseflowinadoublechannelpump[J].DrainageandIrrigationMachinery,2009,27(5):297－301.[10]丁雪星，张鹏高，黄义仿，等．螺旋槽干气密封微间隙流场的CFD数值模拟[J]．化工机械，2008，36(5)：287－290．[11]张元兴，楚武利．用CFD研究离心压缩机叶顶间隙对内部流场的影响[J]．风机技术，2007，(2)：11－13，33．[12]梁开洪，张克危，许丽．轴流泵叶顶间隙流动的计算流体动力分析[J]．华中科技大学学报：自然科学版，2014，32(9)：36－38．[13]赵伟国．基于CFD的离心泵口环间隙流动研究[D]．武汉：华中科技大学，2006．[14]YangShaoyu,LuSongyuan.ApplicationofCFDanalysisforliquidannularpressureseals[J].TurbineTechnology,2007,49(1):23－26.[15]GertzosKP,NikolakopoulosPG,PapadopoulosCA.CFDanalysisofjournalbearinghydrodynamiclubricationbyBinghamlubricant[J].TribologyInternational,2018,41(12):1190－1204.[16]ShahAE．AGeneralCorrelationforHeatTransferdur-ingFilmCondensationInsidePipes［J］．InternationalJournalofHeatMassTransfer，2009，22(4):547-556．[17]TuragaM，GuyＲW．RefrigerantSideHeatTransferandPressureDropEstimatesforDirectExpansionCoil［J］．InternationalJournalofRefrigeration，2005，8(3):134-142．[18]姚杨．空气源热泵冷热水机组冬季结霜工况的模拟与分析［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，201