發(fā)布時間：2020-10-27 07:59

　　 本文的研究是在國家重點研發(fā)計劃“高效高可靠性大流量搶險排水技術(shù)與裝備”(編號:2017YFC0804107)的資助下進行的。礦用搶險泵是一種大流量、高揚程及大功率的多級潛水電泵,是礦山水災(zāi)事故搶險救災(zāi)的唯一可選裝備。礦井突水的水量大、來勢猛,常要求搶險泵在大流量工況下持續(xù)運行,對泵的可靠性要求極高。另一方面,“節(jié)能減排”是時代永恒不變的主題,因此一臺優(yōu)秀的礦用搶險泵應(yīng)具備高效及全揚程無過載性能,并且滿足大流量、高揚程及較低功率的特性。目前高性能礦用搶險泵的設(shè)計經(jīng)驗比較匱乏,本文以自主設(shè)計的礦用搶險模型泵為研究對象進行了數(shù)值模擬、試驗測試以及性能優(yōu)化,以期豐富高性能礦用搶險泵的設(shè)計理論。主要工作如下:1.概述了大功率礦用潛水泵的發(fā)展史,介紹了高性能礦用搶險泵的水力設(shè)計進展,總結(jié)了離心泵壓力脈動、徑向力及軸向力的研究現(xiàn)狀。2.基于相似換算法對實型泵設(shè)計參數(shù)進行了換算,結(jié)合速度系數(shù)法與無過載理論設(shè)計了一臺模型泵,并對模型泵進行了性能測試。結(jié)果表明:模型泵的揚程為21.5m,效率為80.9%,軸功率具有全揚程無過載性能,功率備用系數(shù)K1.1;揚程比設(shè)計目標(biāo)低3.66m。3.基于CFD對模型泵進行了全流場數(shù)值計算,對其外特性、內(nèi)流特性、徑向力、軸向力以及壓力脈動等進行了深入分析。結(jié)果表明:(1)葉輪出口處液流相對速度產(chǎn)生滑移,由葉片背面流向葉片工作面,嚴(yán)重影響揚程;葉輪葉片工作面中段出現(xiàn)明顯的流動分離,流量較小時出現(xiàn)漩渦,葉片展開面高度不同,渦量規(guī)模不同,隨著流量增加該處液流逐漸變得平滑;在0.9倍葉片展開面高度,葉輪進口液流出現(xiàn)偏離,造成沖擊損失。(2)葉輪流道中間位置的出口處至導(dǎo)葉擴散段的壓力脈動的主峰數(shù)為4,葉輪內(nèi)其余監(jiān)測點壓力脈動的主峰數(shù)為7;導(dǎo)葉過渡段至出口段的壓力脈動主峰數(shù)為28。葉輪與導(dǎo)葉的壓力脈動主頻分別為7APF與4APF。(3)葉輪內(nèi)流道的壓力脈動強度由葉輪進口至出口逐漸增強,導(dǎo)葉內(nèi)部流道則是由進口至過渡段逐漸減弱。在葉輪葉片工作面出口處壓力脈動強度較高,并向葉輪相應(yīng)流道的葉片背面以及導(dǎo)葉進口(螺旋線部分)輻射。4.對模型泵進行了優(yōu)化,設(shè)計了五葉片、四長四短與五長五短葉片葉輪的三種優(yōu)化方案,并對最優(yōu)方案進行了試驗驗證。結(jié)果表明:(1)五葉片和四長四短葉片方案下葉輪內(nèi)的水力損失相當(dāng),較初始方案增加了14.0%;五長五短葉片方案下葉輪內(nèi)的水力損失較大,較初始方案增加了32.6%。五葉片方案葉輪水力損失波動幅值較初始方案上升了2.3%;四長四短與五長五短葉片方案葉輪水力損失波動幅值分別降低了21.6%和36.4%。(2)四長四短葉片葉輪內(nèi)的水力損失較初始方案增加了0.27m,小于短葉片造成的沿程摩擦損失0.34m,合理的短葉片型式對液流的“整流”作用帶來的收益可以高于沿程摩擦帶來的損失。(3)五葉片葉輪平均徑向力較初始方案減小了3.2N。短葉片的增加較大地增大了徑向力,其中四長四短葉片葉輪徑向力最大,為85.9N;相應(yīng)地其波動幅值最低,較初始方案下降了14.6N。葉輪內(nèi)長葉片和短葉片的添加幾乎沒有改變軸向力的大小和波動特性。(4)短葉片的添加增加了長葉片背面出口處壓力脈動幅值,并明顯降低了導(dǎo)葉進口區(qū)域的壓力脈動幅值。五長五短葉片葉輪流道內(nèi)存在因脈動頻率相同而產(chǎn)生的脈動干涉,其葉輪流道靠近出口處脈動強度較大,并且高強度范圍較廣。(5)四長四短葉片方案性能最優(yōu),完全滿足設(shè)計要求。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD442.2
【部分圖文】：

圖 2-1 模型泵結(jié)構(gòu)圖要部件包括：潛水電機、進水段、出水段、軸套、分別如圖 2-2 ~ 圖 2-7 所示。潛水電機選用格蘭富電機軸端有錐度，并且?guī)в袃?nèi)螺紋孔。為了便于使型加長軸和拉桿，加長軸一端與電機軸端錐面緊固。拉桿與潛水電機軸端螺紋聯(lián)接，再輔之以軸套將葉導(dǎo)葉出口弧面光滑順延，并且與導(dǎo)葉輪轂留有一定導(dǎo)葉起軸向定位作用；由于導(dǎo)葉軸向距離較大，為導(dǎo)葉的輪轂，在導(dǎo)葉的輪轂內(nèi)部襯有聚四氟乙烯材在導(dǎo)葉處設(shè)有定位銷，防止其周向運動。進、出水泄露；在葉輪和進水段之間設(shè)有 H62 銅合金材質(zhì)的了盡可能與礦用多級泵結(jié)構(gòu)保持一致，出水段出口

模型泵主要部件包括：潛水電機、進水段、出水段、軸套、拉桿、加長軸、葉輪和導(dǎo)葉，分別如圖 2-2 ~ 圖 2-7 所示。潛水電機選用格蘭富產(chǎn)品，額定功率為 23kW，電機軸端有錐度，并且?guī)в袃?nèi)螺紋孔。為了便于使用和安裝，設(shè)計了一根階梯型加長軸和拉桿，加長軸一端與電機軸端錐面緊固配合，依靠摩擦力傳遞扭矩。拉桿與潛水電機軸端螺紋聯(lián)接，再輔之以軸套將葉輪軸向定位；拉桿的端帽與導(dǎo)葉出口弧面光滑順延，并且與導(dǎo)葉輪轂留有一定間隙，避免摩擦。出水段對導(dǎo)葉起軸向定位作用；由于導(dǎo)葉軸向距離較大，為了避免加長軸跳動從而損傷導(dǎo)葉的輪轂，在導(dǎo)葉的輪轂內(nèi)部襯有聚四氟乙烯材質(zhì)，同時起到水軸承作用。在導(dǎo)葉處設(shè)有定位銷，防止其周向運動。進、出水段之間設(shè)有密封裝置，防止泄露；在葉輪和進水段之間設(shè)有 H62 銅合金材質(zhì)的口環(huán)，以減少泄露損失。為了盡可能與礦用多級泵結(jié)構(gòu)保持一致，出水段出口管管徑與葉輪進口直徑保持一致。

模型泵主要部件包括：潛水電機、進水段、出水段、軸套、拉桿、加長軸、葉輪和導(dǎo)葉，分別如圖 2-2 ~ 圖 2-7 所示。潛水電機選用格蘭富產(chǎn)品，額定功率為 23kW，電機軸端有錐度，并且?guī)в袃?nèi)螺紋孔。為了便于使用和安裝，設(shè)計了一根階梯型加長軸和拉桿，加長軸一端與電機軸端錐面緊固配合，依靠摩擦力傳遞扭矩。拉桿與潛水電機軸端螺紋聯(lián)接，再輔之以軸套將葉輪軸向定位；拉桿的端帽與導(dǎo)葉出口弧面光滑順延，并且與導(dǎo)葉輪轂留有一定間隙，避免摩擦。出水段對導(dǎo)葉起軸向定位作用；由于導(dǎo)葉軸向距離較大，為了避免加長軸跳動從而損傷導(dǎo)葉的輪轂，在導(dǎo)葉的輪轂內(nèi)部襯有聚四氟乙烯材質(zhì)，同時起到水軸承作用。在導(dǎo)葉處設(shè)有定位銷，防止其周向運動。進、出水段之間設(shè)有密封裝置，防止泄露；在葉輪和進水段之間設(shè)有 H62 銅合金材質(zhì)的口環(huán)，以減少泄露損失。為了盡可能與礦用多級泵結(jié)構(gòu)保持一致，出水段出口管管徑與葉輪進口直徑保持一致。
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本文編號：2858275