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。     

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。     

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。     

固体颗粒对扇形雾喷头的冲蚀磨损分析

由于冲蚀磨损对喷雾质量产生影响,造成喷头磨损失效。通过对扇形雾喷头球头处固体颗粒的运动状态、边界层上颗粒受力、运动速度和攻角的分析,解释了扇形雾喷头的冲蚀磨损机理。并建立了扇形雾喷头球头处材料流失体积与攻角的关系式。结果表明,在扇形雾喷头处,当固体颗粒冲击位置的轴向尺寸小于其轴向临界尺寸时,攻角随轴向尺寸的增加而增大;反之,攻角随轴向尺寸的增加而减小。分析发现,扇形雾喷头喷口处磨损程度随喷头内表面轴向尺寸的增加而增加。在扇形雾喷头喷口短轴处,轴向尺寸最大,固体颗粒的攻角最小,磨损最严重。并通过喷头冲蚀磨损试验,试验结果与理论分析一致。该文对分析喷头磨损规律,计算磨损率和磨损失效预测提供了基础依据。     

考虑摩擦特性时过盈量对轴承预紧力的影响

针对航天机构中轴承轴向预紧力精确确定的问题,基于静力学和弹性力学,在考虑配合尺寸、摩擦特性的基础上,研究了轴承预紧力与拧紧力矩的关系。利用锁紧螺母拧紧力矩与轴向力的关系,确定施加于轴承上的轴向力;根据摩擦力与摩擦特性及装配尺寸的关系,分析摩擦力对轴向力的截留作用;通过轴承力平衡方程组,对实际预紧力进行理论分析。文中研究了配合尺寸及摩擦特性对预紧力的影响,揭示了不同装配下预紧力随拧紧力矩的变化规律。研究结果表明:对轴承71807C预紧力结果进行分析,发现相同拧紧力矩下,过盈量增0.5μm,轴向力中约有123 N的力被截留;且摩擦系数增加0.05,轴向力截留率增大约13%。过盈量越大,轴承与主轴间摩擦力对轴向力的截留作用越大,预紧力对应的拧紧力矩越大;相比加热炉加热,油槽加热降低了配合区域的摩擦系数,加载相同的拧紧力矩时使轴承预紧力较大。经试验验证,该理论分析可以确定施加的预紧力,又可以提高装配质量。该研究建立预紧力测量的理论计算模型,并可用此模型较精确地确定预紧力,为轴承预紧力设计和装配提供参考。     

基于数值模拟的微型溴化锂屏蔽泵的性能分析

针对现有单级溴化锂屏蔽泵存在效率低、能耗高的缺点,研究开发了两级叶轮微型溴化锂屏蔽泵。设计两级微型溴化锂屏蔽泵机泵一体结构以及两级屏蔽泵的水力部件,包括叶轮设计、径向导叶和螺旋形涡室组合设计等。利用CFD软件FLUENT,对两级屏蔽泵进行流场模拟,得到了内部流场的分布情况。由此分别以溴化锂和清水为介质进行了性能预测,与设计值进行比对,结果符合设计要求。经样机试验验证,在相同流量下,两级微型溴化锂屏蔽泵比现有单级微型溴化锂屏蔽泵扬程高约1 m,机组效率高约1.6%。设计的两级屏蔽泵的扬程和机组效率模拟值与试验值比较接近,初步验证了模拟可信,设计方法可行。     

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。     

入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验

采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件及反求技术,建立甘蔗-切割器系统仿真模型,进行甘蔗材料参数反求,获得了适用于动力学仿真的甘蔗材料模型,且进行了物理试验验证;通过建立土壤-甘蔗-切割器系统的动力学仿真模型,进行动力学仿真试验,建立相关数学模型,研究了土壤的软、硬程度及切割状态对甘蔗最大切割力及切割破头的影响,结果表明,土壤的软硬程度对甘蔗的最大切割力影响小,对甘蔗轴向剪应力影响大;甘蔗两刀切断比一刀切断的最大切割力小,甘蔗入土切割比非入土切割的最大切割力大,但轴向剪应力小,甘蔗入土一刀切断的平均轴向剪应力比非入土一刀切断的小43.3%,甘蔗入土两刀切断的轴向剪应力比非入土两刀切断的小49%,入土切割是降低甘蔗切割破头的有效途径。     

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。     

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。     

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。     

微型离心泵诱导轮与叶轮轴向距离匹配特性

诱导轮与叶轮匹配不合理,是影响微型离心泵运行稳定性的原因之一。为了研究诱导轮与叶轮之间的轴向距离(简称为轴向距离)的匹配对离心泵性能的影响,该文以一台前置诱导轮离心泵为研究对象,采用数值方法定量分析了不同轴向距离对离心泵能量特性、汽蚀特性和压力脉动特性的影响。选取5种轴向距离,分别为0.1S,0.5S,1.0S、1.5S和2.0S(S为诱导轮轴向长度与叶栅稠密度的比值),对离心泵进行三维流场数值预测。结果表明,轴向距离增加后,扬程和效率均有所增加,汽蚀余量降低,但叶轮内压力脉动幅值升高。其中,在额定工况下,当轴向距离增大至1.0S时,扬程提高了0.61m,效率提高了5.8%,临界汽蚀余量降低了0.4m;轴向距离继续增大后,各项性能变化不大。综合分析认为,轴向距离为1.0S时,诱导轮与叶轮的匹配性能最佳,有利于离心泵稳定运行。研究结果可为微型离心泵诱导轮与叶轮的匹配设计提供参考。     

高速磁力泵轴向力平衡计算

磁力泵的结构设计能否保证内磁转子体的轴向力平衡直接关系到泵的寿命。如何平衡磁力泵转子的轴向力是磁力泵设计的关键技术之一。该文以一高速磁力泵为例，介绍了高速磁力泵借助冷却回路结构设计进行轴向力平衡，提出按计算通式分段叠加求解的计算方法，总结了高速磁力泵轴向力平衡设计计算步骤。用该计算方法设计的高速磁力泵样机经实际试验验证，运行平稳、性能可靠。从而证明了该轴向力平衡设计计算方法的正确性。     

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。     

The effect of ponding depth on infiltration in a crusted surface depression

Over the past few decades, the influence of surface sealing on infiltration has been the subject of numerous publications. However, very few of these experiments have considered the effect of spatial variability in seal hydraulic characteristics on infiltration. Field and laboratory observations have demonstrated that seal characteristics vary considerably within a range of a few cm, and the changes are often related to microtopography. The objective of this experiment was to investigate the influence on infiltration of a seal with varying hydraulic properties in a surface depression. Two soils of different aggregate stability were used in the experiment: Blosseville silt loam and Villamblain silty clay loam. Soil columns (23 cm diameter by 30 cm length) were packed with aggregates of <2.0 cm and a 6 cm depression was formed in the soil surface. A sedimentary crust was formed in the centre of the depression, and the sample was rained upon for 60 min at a rainfall intensity of 35 mm h⁻¹. Subsequently, water outflow at the base of the column and pressure heads in the column were measured during two ponding periods corresponding to depths of 0.5 and 4.0 cm. Water outflow rates increased with ponding depth substantially more than could be attributed to the increases in ponding pressure head and submerged area for both soils. The experiment demonstrated that where seal hydraulic conductivity varies with microtopography, a significant increase in infiltration rate occurs as areas of greater hydraulic conductivity are submerged. The increases in ponded pressure head and submerged area are negligible compared to the influence of spatial variability in seal hydraulic conductivity.     

不同口环间隙离心泵性能及水力激励特性分析及试验

为进一步研究改变口环间隙所产生的影响,该文通过改变口环间隙大小,采用数值计算与试验相结合的方法,研究了离心泵内叶轮所受径向力以及压力脉动的变化。分别采用0.25、0.5以及0.75 mm的口环间隙,进行数值计算和试验。通过对叶轮外表面的压力场求解和分析,得到不同口环间隙对叶轮所受径向力的影响,通过试验测得的各监测点的压力脉动数据进行分析。结果表明:模拟所得扬程与试验结果较为吻合。叶频所对应的压力脉动幅值在前腔进口处,口环间隙为0.5 mm的方案约为0.25 mm方案的3.1倍,在叶轮出口处约为1.3倍;口环一周的平均压力脉动在0.75 mm时最小,此时约为0.5 mm方案的0.81倍;叶轮进口及其上游的压力脉动以0.75 mm方案最小,约为其他2个方案的0.67倍,说明口环间隙为0.5 mm时离心泵前腔及进口处的压力脉动最大。叶轮所受径向力随着口环间隙的改变呈现非线性变化,小流量及设计工况时0.75 mm方案的径向力最小,设计工况时0.25 mm方案的径向力最小。通过研究不同口环间隙所诱导的压力脉动及径向力的变化,对离心泵的传统设计进行了一定的补充,并且对口环的设计提供了参考。