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[硕士论文] 徐海林
机械工程 重庆交通大学 2018(学位年度)
摘要:泥浆泵是机械工程钻探领域机械设备的重要组成部分,广泛应用于石油钻井。泥浆泵主要起到循环泥浆,冷却钻头,把岩屑传送回地面等作用。随着深井、超深井的出现,钻探深度的增加,对泥浆泵的功率、压力等性能的要求越来越高,泥浆泵不断地向着大功率、大排量的方向发展。同时,泥浆泵野外工作条件的复杂和恶劣,使得人们越来越关注泥浆泵的使用性能和使用寿命。连杆和曲轴作为泥浆泵动力端的核心组成部分,其结构参数,结构强度以及疲劳寿命很大程度上决定了泥浆泵整体的大小与轻重、承载能力和使用寿命。泥浆泵在循环载荷的反复的持续的作用下,零部件容易发生疲劳失效,而这种失效形式具有隐蔽性,直到损伤累积到一定程度发生质变,引起突发性的断裂与破坏,造成严重的后果与经济损失。为了预防事故的发生,对泥浆泵动力端的主要零部件进行动力学分析和疲劳寿命预测就显得格外重要。
  运用理论力学知识分析泥浆泵动力端曲柄连杆机构的运动规律和受力情况,并绘制成图直观地显示各个构件在一个周期内所受的作用力的变化情况和运动规律。运用有限元软件ANSYS创建泥浆泵动力端的有限元模型,对泥浆泵动力端主要结构做静力学分析,找到容易产生应力集中的部位,计算出最大应力。为了更好地还原泥浆泵动力端的真实工作状况,应该把曲柄连杆作为柔性体来看待,运用ADAMS动力学软件创建泥浆泵动力端的刚柔耦合模型,分别对连杆与曲轴进行动力学模拟仿真,分析连杆和曲轴的动应力状态。连杆曲柄承受着循环交变应力的反复作用容易产生疲劳损伤,损伤累积到一定程度会导致零件的损坏,利用MSC.fatigue软件米分析和预测连杆与曲柄的疲劳寿命,找到发生破坏前疲劳寿命最短的部位,计算出最小总应力循环次数。虽然连杆和曲轴受到的最大应力值均远远小于其各自的材料屈服强度极限,但是在循环载荷的长时间作用下仍然会发生疲劳失效,最终引起零部件突发性的断裂,带来严重的后果与经济损失。对曲轴连杆进行动力学分析及疲劳寿命预测,为连杆与曲轴的设计或改进奠定了基础。
[硕士论文] 杨晴晴
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:针对传统往复泵的输出流量波动较大问题,论文设计一种盘形凹槽凸轮,其可以在不借助外部设备实现恒流量输出并且活塞运动过程中不存在加速度突变的现象,本文选取卧式三缸单作用盘形凹槽凸轮结构恒流量往复泵动力端作为研究对象。
  通过获得活塞组件速度的曲线,计算得到泵的瞬时流量曲线,进而通过调整曲线的形状,使得三缸往复泵工作时其输出流量叠加为一个恒定值。根据活塞组件的运动速度曲线推导出盘形凹槽凸轮的轮廓线方程,从而得到盘形凹槽凸轮的外形曲线。
  对盘形凹槽凸轮恒流量往复泵动力端中齿轮副和活塞组件进行设计计算并通过仿真结果对其进行校核验证设计的合理性。
  利用SOLIDWORKS软件建立往复泵的三维模型,使用ADAMS软件仿真出活塞组件的速度、加速度曲线,以及在施加载荷时盘形凹槽凸轮与活塞组件接触点的受力情况。在仿真的结果中,活塞组件的速度、加速度曲线与理论曲线基本一致;在受力仿真中,设置的活塞组件与盘形凹槽凸轮第三接触点受力最大,利用此点受力对盘形凹槽凸轮进行再次校核。
  对动力端中的盘形凹槽凸轮进行模态分析,得到各阶的固有频率,以便避开往复泵工作时的共振频率。
[硕士论文] 钱林峰
机械制造及其自动化 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:在齿轮泵生产制造过程中和实际工作时,由于齿轮泵加工、装配公差和测量误差导致其自身尺寸不是确定值;液压油粘度等外部因素也不是确定值。以前,传统研究都将齿轮泵各参量作确定值,得出的结论与工程实际有一定差距。为了获得更加符合工程实际的齿轮泵内泄漏数学模型和寻求其最优间隙,本文以齿轮泵传统数学模型为基础,将不确定性理论引入到齿轮泵传统数学模型中进行研究,主要开展了以下几个方面的工作:
  将齿轮泵的轴向间隙、径向间隙、液压油温度、工作压力和输入转速作为随机变量,运用随机因子法和代数综合法建立起外啮合齿轮泵随机内泄漏模型,进而获得在不确定性下的外啮合齿轮泵容积效率。将随机内泄漏模型研究结果和传统模型的计算结果分别与实验结果进行比较。
  将齿轮副轴向间隙、齿轮副径向间隙、滑动轴承径向间隙、液压油动力粘度、工作压力和输入转速作为随机变量,运用随机因子法和代数综合法建立起内啮合齿轮泵随机内泄漏模型。将随机内泄漏模型研究结果和传统模型的计算结果分别与实验结果进行比较。
  以泄漏功率损失和粘性摩擦损失之和总功率损失最小为设计目标,将轴向间隙、径向间隙作为设计变量,将不确定性理论引入到设计过程中,利用优化设计原理计算出齿轮泵最优轴向间隙、径向间隙。
  实验结果表明,本文采用随机不确定性理论建立的齿轮泵随机内泄漏模型正确且比传统模型更加优越。证明了不确定模型比传统模型更加符合工程实际,这对齿轮泵内泄漏流量的计算提供了一种更加科学的计算方法,并对指导齿轮泵的节能结构设计方面具有重要意义。
[硕士论文] 夏胜生
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:聚丙烯环管轴流泵是一种特殊轴流泵,应用于环管反应器中,为其提供动力,其具有流量大、且能够获得均布的物料和温度、避免生成的聚合物发生沉淀等优点,在聚丙烯生产中占据重要地位。其与传统轴流泵有所区别,其导叶加工全部为锻件焊接,无法按照普通轴流泵方式安装扭曲导叶,由于其结构的特殊性及其内部流动的复杂性,造成其运行过程出现功率波动、噪声大及运行不稳定等问题,深入研究发现环管轴流泵水力性能及压力脉动特性是影响其运行稳定的主要因素,因此本文采用数值模拟和实验相结合的方法,以优化环管轴流泵内部结构和提高稳定性为目标,开展环管轴流泵水力性能优化和压力脉动研究,对提升环管轴流泵设计水平具有重要作用。
  本文由此设计不同直导叶的环管轴流泵,并建立仿真模型,采用CFD方法对泵进行数值计算,并将模拟结果与试验数据进行对比;本文对环管轴流泵内部不同部件处的内流场特性进行分析,并针对直导叶叶片长度、厚度及其到叶轮的距离三种因素,以扬程和效率作为评价指标,采用正交实验研究直导叶结构对环管轴流泵水力性能的影响,得出最优的直导叶结构,为直导叶结构设计提供参考,并分析优化模型与原始模型的差异;对环管轴流泵的压力脉动进行分析,针对直导叶位置分析比较优化模型与原始模型的区别,并通过监测环管轴流泵非定常扬程特性,对环管轴流泵功率波动现象进行分析。
  基于以上研究,本文得出以下结论:(1)本文数值计算与试验结果吻合性较好,其中在设计工况下的误差为0.28%,在工程误差允许范围内,本文的数值模拟具有可靠性;(2)直导叶结构最优尺寸为其叶片长度取149mm,叶片厚度取38mm,叶片到叶轮距离取56mm;(3)优化模型相比原始模型扬程和效率有所上升,额定工况下分别提高了1.50%及1.51%,其直导叶处速度、压力、湍动能分布更合理,优化方案的直导叶结构更适应直导叶处流动;(4)叶轮出口及直导叶处压力脉动呈现四周期正弦特性变化,压力脉动幅值在直导叶进口处达到最大;优化模型相比原始模型在靠近直导叶中截面及出口轮毂处,其主频处压力脉动幅值均较低;优化模型压力脉动变化更具正弦特性;优化模型改进了直导叶结构,使功率波动变化更规则,并减少其次频处峰值。
[硕士论文] 孙振兴
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:污泥回流泵作为污水处理工艺中污泥回流的动力设备,具有较大流量、极低扬程的特点,比转速ns达到1600,广泛应用于市政工程、污水处理等行业。所输送的液体属于固液两相流,其中固体颗粒直径小于2mm,但液体内含有大量的纤维和杂质,易于缠绕或附着在叶轮上,造成污泥回流泵的不稳定运行,主要表现为运行时伴有剧烈的振动噪声以及机组负载过大设备不能持续运行。本文的主要工作和研究成果如下:
  1)针对污泥回流泵效率偏低、污泥回流效果不佳的情况,基于轴流泵叶轮的水力设计方法对污泥回流泵进行水力设计,得到了新型的污泥回流泵叶轮。
  2)基于多面体网格和棱柱层网格的混合网格为载体,对污泥回流泵进行数值计算,预测得到了泵的扬程和效率。通过设计污泥回流泵专用实验装置进行外特性试验,对比分析流量-扬程曲线发现污泥回流泵的数值模拟求解的准确。
  3)分别对直导叶进行节段式导叶和扭曲导叶的优化设计,以此提高污泥回流泵整体性能。利用数值模拟手段分析3种导叶方案的污泥回流泵性能,通过研究发现扭曲导叶方案很大程度上提高了污泥回流泵的扬程和效率,在设计工况下其扬程和效率分别提高了8.7%、9.1%。并且,扭曲导叶较好的改善导叶内部流动情况,减小液流对导叶的冲击损失,提高了污泥回流泵整体性能。
  4)基于线性后掠的方法对叶片进行优化设计,利用数值模拟方法研究后掠叶片对污泥回流泵性能的影响。通过对不同后掠叶片的污泥回流泵外特性以及内流场的分析发现,随着叶片后掠角的增加,污泥回流泵扬程曲线与轴功率曲线随之向下偏移,并且叶片后掠程度越大偏移越明显,而效率曲线并不随后掠角的变化呈现规律变化。在设计工况下,后掠角为20°的污泥回流泵效率值最大,效率较原型叶片提高了2.8%,而后掠角为60°的污泥回流泵效率值最小,效率降低了2.6%。同时,随着后掠角的增加,叶轮内径向流动分布范围增加,叶缘处径向速度增大。
  5)污泥回流泵内部为复杂的非定常流动,因此对其进行非定常计算,研究后掠式污泥回流泵内部流场的压力脉动特性。通过研究发现,随着后掠角的增加,后掠叶片降低了主频处压力脉动幅值,60°后掠叶片压力脉动幅值约为原型叶片的50%,后掠叶片能够提高污泥回流泵的运行稳定性。
[硕士论文] 俞嘉枫
动力工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:串并联离心泵由于其一机多用、占用空间小等特点而普遍运用于船舶领域。作为船舶的重要设备,串并联离心泵的可靠性及稳定性必须得到保证,而泵内部动静干涉引起的压力脉动会直接影响其运行稳定性。因此,本文以串并联离心泵为研究对象,通过对叶轮叶片不等间距及导叶时序的研究,探究动静干涉对串并联离心泵压力脉动的影响特征。
  本文结合CFD技术、模型试验及理论分析,研究叶轮叶片不等距、导叶与隔舌不同相对位置匹配对串并联离心泵水力性能及压力脉动特性的影响。根据其主要设计参数进行过流部件的方案设计、三维建模及网格划分;通过仿真结果与试验数据的对比,验证数值模拟可行性的基础上,对叶轮叶片不等距及导叶位置匹配进行模拟研究;分析关键过流部件参数变化对串并联离心泵水力性能、内部流动特性、压力脉动特性的影响。主要得出以下结论:
  (1)不等间距叶片布置相对等间距叶片布置具有提高效率的作用。额定工况下,在最小角间距为56°时效率最高;最小角间距过小不利于流体的流动,不等距叶片布置的最小角间距应控制在合理范围。
  (2)导叶与隔舌相对位置的改变对串并联离心泵的外特性和并联工况下首次级的流量分布产生较大影响。在额定工况下,并联时相对角度在12°时效率最高;串联时相对角度在30°时效率最高;并联时首级与次级流量比曲线与效率曲线相似,流量变化对效率影响较大。
  (3)不等距叶片布置具有减小主频幅值分散压力脉动的作用。不等距叶片布置方案在导叶内产生新的脉动频率且主频幅值较小,有利于脉动的平稳性;不等距叶片布置方案在导叶内的脉动频率由轴频及叶片数决定而不是由叶频决定;不等距叶片布置方案在最小角间距为56°时蜗壳内脉动幅值分布均匀合理。
  (4)导叶与隔舌相对位置的变化对串并联离心泵的压力脉动产生一定影响。导叶相对位置的变化使叶轮处时域相位发生改变,但对其波动幅度、脉动幅值及频率几乎没有影响;蜗壳及出口处在导叶与隔舌相对角度α=12°时两种工况下监测点的波动幅度与主频幅值较小。
[硕士论文] 曹林松
动力工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:喷水推进是一种应用在船舶、水下滑翔机等领域的特殊推进方式,具有运行平稳、噪音低、操控性能好以及能够在浅水作业等优点,核心部件为喷水推进泵。其运行工况调节方式一般为变流量和变转速两种。而微型喷水推进泵受自身尺寸限制多是通过改变转速来改变其运行工况,且敞口运行状态下喷水推进泵很难运行在设计工况点会造成推力以及效率的下降,影响续航时间;深入研究发现,过流部件结构参数的变化同样会对其推力和效率造成影响。因此,本文开展微型喷水推进泵推力特性及性能优化方面的研究具有重要意义。
  本文采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法首先对喷水推进泵在开放式边界条件下进行数值模拟,研究不同转速下推力、出口流量以及内流场的分布情况;然后,分别研究了喷口的截面型线设计方式及叶轮叶片厚度对喷水推进泵水力性能的影响;最后提出了一种新型喷水推进泵推力及流量的测量方法,并搭建试验台对其推力以及出口流量进行测量。得到主要结论如下:
  (1)微型喷水推进泵在敞口运行的状态下,随着转速的增大出口流量以及推力逐渐增大,且在高转速下,推力增长的幅度变大;叶片工作面的表面压力变化明显,高压区范围逐渐扩大。
  (2)相对于其他两种喷口形状,当喷口的截面型线选用带有较大收缩角度的光滑曲线时,推力以及出口流量在各转速下都达到了最大值,在喷口收缩段附近存在局部的高速区,且低湍动能区域范围较大。
  (3)随着叶片厚度的增加,推力以及出口流量先增大后减小,当叶片轮缘相对厚度为4%,轮毂相对厚度为11%时,微型喷水推进泵的推力以及出口流量最大,且叶片的表面压力分布比较均匀。
  (4)各转速下推力以及出口流量的试验值与仿真值的差值均在5%以内,验证了本文的数值模拟是可靠的,同时也说明了本文对微型喷水推进泵推力以及出口流量测量的试验方法是可行的。
[硕士论文] 黄鑫
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:随着国家大力持续地推进节能减排,积极地推行绿色经济与绿色制造,能量回收技术及装置越来越受到人们的重视。液力透平为能量回收装置,高压液体可以通过液力透平做功,将其压力能转换为液力透平的机械能,带动电机对其他机械做功,或者转化为电能,从而降低生产成本,达到节能减排的目的。在液力透平装置中,离心泵反转式液力透平应用较广泛,但也存在着工作不稳定、效率较低、结构强度不足等问题。目前,对于离心泵反转式液力透平的研究几乎都集中在单级单吸式离心泵反转透平上,而对导叶式离心泵及多级离心泵反转式液力透平的研究较少;对于液力透平的叶轮,现阶段的设计仍然采用传统离心泵叶轮的设计方法,而近几年专用透平叶轮开始慢慢出现,对于新出现的前弯叶片式叶轮,还鲜有人研究。
  本文以导叶式液力透平为研究对象,对导叶及叶轮进行优化选型设计,并进行数值模拟分析,以探究导叶、叶轮水力结构的变化对导叶式液力透平性能的影响。以单级导叶式海水淡化泵为研究原型,通过相似换算及速度系数法进行模型化设计,获得研究对象。(1)对导叶式液力透平的导叶数进行研究,设计了3种不同导叶叶片数的液力透平模型,进行定常及非定常数值模拟;(2)对新型前弯式叶片叶轮进行研究,以传统离心泵后弯叶片式叶轮为设计基础,在一定的叶片参数范围内,设计不同叶片数、叶片进口角、叶片出口角以及叶片包角的前弯叶片叶轮,并分别进行数值模拟;(3)对后弯叶片与前弯叶片进行对比分析研究,分别对两种叶型下的液力透平模型进行定常数值模拟与非定常数值模拟。
  通过对不同导叶叶片数下的液力透平数值计算结果进行分析,结果显示:在相同的水头下,7片导叶数模型的效率及回收功率均最大;在相同的流量下,11片导叶数模型的压力脉动幅值最小。
  通过对前弯叶片式液力透平数值计算结果进行分析,结果显示:叶片数对液力透平性能的影响最大,叶片出口角的改变更易引起透平最优工况点的偏移,性能最优的透平模型效率达到76.49%。
  通过对后弯叶片叶轮与前弯叶片叶轮进行对比分析,结果显示:前弯叶片叶轮更适合大水头的运行工况。前弯叶片式液力透平的最高效率要略大于后弯叶片式液力透平,在前弯叶片式液力透平中,导叶成为水力损失最大的过流部件。前弯叶片式透平内部压力脉动在总体上要大于后弯叶片式透平。
[硕士论文] 汪源
流体机械及工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:单叶片潜水排污泵通过颗粒直径大、抗堵塞和抗缠绕能力强,被广泛应用于市政工程、污水处理厂、排污泵站等场合,但叶轮叶片的非轴对称布置,导致径向力过大、轴承受力不均匀,维护周期短、成本高,极大的限制了行业的发展。因此,本文针对单叶片潜水排污泵转子系统径向力过大问题进行深入研究,具体研究内容和取得的成果如下:
  1.确定设计参数,对单叶片叶轮和配套蜗壳进行水力设计,基于正交试验的方法选择3组变量,共设计了9组试验方案,优化后的叶轮数值预测水力效率达到59.8%。
  2.针对单叶片潜水排污泵的转子系统质量不平衡,采用参数化建模和虚拟样机仿真技术相结合的手段进行质量配平,经过对原始叶轮和配平后的叶轮进行动平衡试验,二者结果基本一致,表明该方法具有精度高、周期短、成本低等特点。
  3.基于全六面体结构化网格对单叶片潜水排污泵进行全流场定常计算,获得了单叶片潜水排污泵的外特性预测曲线及内流特征,成功捕获了单叶片叶轮内的二次流动及旋涡等现象,并发现在小流量工况下内部流动紊乱,而大流量工况时内部流场物理结构得到明显改善。
  4.根据水力设计结果,对样机进行结构设计及试验台改造,获得了样机的流量-扬程实测曲线,与数值计算对比分析,验证了数值计算的精度。
  5.基于上述模拟方法,对全流场进行非定常计算,分析了水泵内不同点的压力脉动规律。通过时域图分析发现,压力脉动呈明显的周期性,一个周期内出现波峰和波谷各一次,与叶轮叶片数正好对应;基于傅里叶变化,获得频域特征,发现在叶频下各点的脉动幅值最大。
  6.根据非定常数值计算的结果,对叶轮径向力进行追踪,发现叶轮水力径向力矢量图呈椭圆形,说明径向力在一个周期内不断变化。在0.8Q~1.2Q工况范围内,叶轮水力径向力随着流量的增加而增大。根据叶轮水力径向力矢量图分析,选取数值最大、最小和突变处三个特征点,发现同一个工况下其方向与叶轮相对位置基本不变。
  7.对设计工况下,叶轮旋转一个周期内的水力径向力进行数值平均。在水力径向力的反方向对叶轮进行配重,配重后的不平衡质量所产生的离心力约等于该平均值。对质量平衡的叶轮和配重后的叶轮进行静力学分析,同时加载二者各自的水力作用力及质量作用力,发现配重后的叶轮应力和形变都有所减小,轴承上的径向力也随之降低,说明通过叶轮不平衡质量及相位角的控制,可以抵消转子系统部分水力径向力。
[硕士论文] 邹文鹏
动力工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:串并联离心泵因其特殊的双工况状态广泛应用于船舶及消防等领域,其水力性能优化及减振降噪一直是个重要的研究方向,其中泵中的水力部件—叶轮作为实现能量转化的动力部件,对泵整体性能起到决定性作用。
  为了研究串并联离心泵叶轮型式对其水力性能及压力脉动的影响机理,对模型三维造型,并对水体模型进行了网格划分和网格无关性验证。利用数值模拟的方法研究了三种不同叶片型式对串并联离心泵水力性能及压力脉动的影响。并且为了解决串并联泵首、次级叶轮由出口流道管阻不同所造成的两级叶轮偏离设计工况运行的问题,制定了差异化叶轮设计方案,通过串联及并联两种运行工况下与原型叶轮的比较,得到结论如下:
  (1)不同叶轮形式对串并联离心泵水力特性、压力脉动影响明显。扭曲叶轮内部流场均匀稳定,扬程、效率高,水力特性优于其他两种形式,分流式叶轮出口监测点压力波动幅度更低,压力脉动主频峰值更小。
  (2)串并联离心泵首、次级叶轮内部流场及压力脉动特性差异明显且相互影响,工作状态的改变极大影响了叶轮周向的压力波动幅度。
  (3)首、次级叶轮内部流场和压力脉动规律均受到差异化叶轮设计的影响发生了变化,切割次级叶轮可以有效减小两级叶轮流量差异,减小水力损失、提高运行效率,最佳切割量为4~8mm即叶轮直径的的1.5%~3%。切割后次级叶轮出口压力波动幅值减小,主频峰值明显降低。
  (4)最优叶片型式的差异化叶轮设计有效改善了首、次叶轮之间扬程差异与流量偏移,改善两级叶轮的内部流动状态,提高了串并联离心泵整体的效率,叶轮出口监测点压力脉动主频及其倍频处峰值明显降低。对以后串并联离心泵的优化设计有一定参考意义。
[硕士论文] 张敏
流体机械及工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:压电泵是利用压电体激发的振动直接作用于流体,使其产生动压或流量输出的一种新型流体泵。相对于传统泵,压电泵具有结构简单、体积小、无电磁干扰、输出特性易于控制等诸多优点,因而广泛应用于航空航天、医疗器械、生物基因工程,化学分析,机器人等领域。
  压电泵不是传统泵的简单微型化,其形状、尺寸、流体的流动特性等对泵的性能均有很大影响。本文提出的扩张管/收缩管型无阀压电泵不仅克服普通压电泵的一些常见缺陷(如工作频率较低,流量输出波动大,运动部件的早期磨损和疲劳破坏),还可以将泵的驱动源部分、传动部分及泵体三者制成一体,大大简化压电泵的结构,提高其工作可靠性。此外,该泵还具有结构紧凑、制造成本低和易于微型化等特点。为探讨该泵内部流动规律提高其性能,本文具体研究内容及结论主要包含以下几方面:
  1.简要地概述了基于微电子机械系统(MEMS)的微型泵及其分类,对压电泵国内外研究现状及发展前景进行了归纳总结。
  2.介绍了微尺度流动的基础理论,对微流泵内部的流动特性进行了理论分析,给出理论流量及流阻比系数、泵效率等的表达式。
  3.基于压电基础理论知识,推导出圆形压电振子变形量及固有频率的理论表达式,同时利用有限元软件ANSYS对圆形单晶片压电振子进行振动分析及模态分析,找到影响压电振子中心处振幅的相关因素,分析讨论了不同结构参数以及材料参数对压电振子中心处振幅的影响。结果表明:在简支约束下,基板材质选用为铜,在不改变基本尺寸的情况下压电片与基板半径比约为0.7,压电片厚度较薄,激励电压较大时,可获得较大的变形量及强度要求。这些结论为优化压电振子结构提高其性能提供了理论依据。
  4.建立扩张/收缩流道结构的数学模型,通过ANSYS CFD模块对流道进行有限元分析,得出流道内压力与速度分布的影响曲线,分析讨论了各尺寸参数对流阻比系数的影响并对其进行优化,尽可能的提高流阻比系数,同时降低流动阻力。运用C语言对压电振子的动态特征进行UDF编程,将其调入Fluent软件中,并结合动网格技术,通过间接耦合的方法对优化后的整泵系统进行数值模拟,得到泵的内部流场特性。研究分析驱动频率、振幅(电压)等因素对泵送功能的影响。结果表明:在其他条件不变的情况下,加载频率为400Hz时可获得最大流量,电压越大其流量也越大。这些结论为优化设计该类型压电泵提供有益的参考。
[硕士论文] 朱强
动力工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:低比转速高速离心泵具有小流量、高扬程、结构紧凑等特点,被广泛应用于石油化工、航空航天等领域。但因其转速高,所以其内部流动与常见离心泵存在较大差异,如:在叶片吸力面易产生尾迹流,而压力面易出现射流等。高速泵的内外特性研究一直是流体机械领域重点研究课题。本文结合流量Qd=10 m3/h、扬程H=410m、转速n=8500 r/min,比转速ns=18的高速泵的复合叶轮、蜗壳、诱导轮水力设计,利用三维湍流数值模拟方法,基于ANSYS CFX软件平台,对设计的高速离心泵进行全流道三维定常和非定常仿真计算,探索了高速离心泵内外特性的规律。研究得出了叶轮、蜗壳和诱导轮内的速度、压力分布特征,数值模拟预测水泵的外特性以及隔舌处的压力脉动特性。主要工作如下:
  (1)利用速度系数法和加大流量法,设计了流量Qd=10 m3/h、扬程H=410m、转速n=8500 r/min,比转速ns=18的高速泵的复合叶轮、蜗壳和等螺距诱导轮。
  (2)利用PRO/E和GAMBIT软件对离心泵的进水管、复合叶轮、蜗壳及等螺距诱导轮等过流部件进行三维建模,运用非结构化网格离散过流部件计算域。
  (3)为探求转速变化对离心泵内部流动影响,基于雷诺时均N-S控制方程和标准的k-ε湍流模型,利用ANSYS CFX软件,数值模拟了设计流量下6种不同转速的水泵内部流动,比较分析了转速对叶轮内静压和相对速度分布规律的影响。
  (4)针对设计转速n=8500 r/min,数值模拟离心泵高速运行在小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况下的内外特性,研究得到了不同流量下复合叶轮内部压力场、速度场及蜗壳隔舌处的静压力场分布,数模预测高速泵的能量特性。
  (5)对带前置诱导轮的高速离心泵进行了三维定常数湍流值模拟,得出了小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况的内外特性,对比了不同流量下诱导轮、叶轮的静压场和相对速度场分布;分析了前置诱导对水泵能量特性的影响。
  (6)数值模拟了带前置诱导轮的高速离心泵蜗壳与叶轮耦合非定常流动,得到了蜗壳隔舌处3个不同监测点,在小流量0.4Qd、设计流量1.0Qd和大流量1.3Qd三种工况下的压力脉动规律,对比分析了它们的时域特性和频域特性。
  (7)数值模拟了带前置诱导轮的高速离心泵叶轮叶栅及子午面上的空化情况,并就偏离设计点工况下诱导轮对泵汽蚀余量的影响进行了预测。
[硕士论文] 张钟宇
动力工程及工程热物理 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:作为实施钻井工艺的主要设备,钻井往复泵是钻机中最重要的设备之一,是钻井液循环系统的关键设备。在当今能源紧缺的形势下,钻井往复泵作为节能产品在众多的工业生产领域发挥着极其重要的作用。
  本文重点针对1800HP的钻井往复泵的动力端主要零部件(主要指曲轴连杆机构)作为研究对象,利用了力学知识、有限元分析以及多体动力学软件对钻井往复泵的动力端的零部件进行设计与仿真分析研究。本文所做的主要的工作如下:
  利用绘图软件soildworks构建了钻井往复泵动力端的三维模型,并根据运动学及动力学原理,建立了钻井往复泵动力端主要零部件的力学模型。推导出曲轴连杆机构在整个工作过程中的运动规律,以及在一个冲程范围内的各个零部件间的受力情况,为之后有限元分析以及动力学分析奠定了基础。
  运用simulation对连杆的最大拉伸及最大压缩工况进行机构强度分析,并确定连杆的危险点;并分别改变连杆危险点尺寸,运用趋势跟踪器来跟踪测量连杆质量、应力、形变的变化情况。并运用有限元分析软件workbench对钻井往复泵的曲轴随曲轴转角每隔30°进行机构强度分析,发现在曲轴转角为316°时曲轴受到的应力最大,最大应力值也是符合设计要求的。
  对钻井往复泵动力端关键部件进行模态及谐响应分析,主要计算了连杆及曲轴的前6阶固有频率及阵型,分析发生共振频率及对部件振动的影响规律。
  采用多体动力学软件ADAMS对1800HP的钻井往复泵动力端进行运动学及动力学仿真分析,并得到钻井往复泵动力端重要零部件运动数据及相关零件的动力学数据,与之前得到的理论数据进行比较,发现运动状态及受力情况基本相符。
[硕士论文] 唐佑传
机械工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着泵类产品的广泛使用,离心泵在运行过程中的可靠性和效率已逐步成为国内外各大泵企注重的重要指标。离心泵叶轮是影响离心泵效率的关键因素,叶轮设计对于提高离心泵的效率,稳定性和抗汽蚀能力起着至关重要的作用。
  论文是以PWF型排污式离心泵为研究对象,以SolidWorks、ANSYS、MATLAB为研究平台,结合已知数据对离心泵的过流部件进行参数设计,并构建叶轮和蜗壳的仿真模型;将叶轮和蜗壳耦合进行数值分析,通过仿真数据表明,该离心泵叶轮的结构设计不合理,导致离心泵在运行时的能量损失较大,效率较低。继而,以离心泵的能量损失为目标,以叶轮的进口直径、进口安放角、进口宽度、出口直径、出口安放角、出口宽度六个参数为约束条件进行全局优化,通过优化结果表明,离心泵的能量损失减少了3%,效率提高4.6%。
  优化后离心泵的叶轮得到了较大的改善,符合离心泵设计的基本要求,同时对于泵企业在新产品的开发过程中缩短产品开发周期,减少经济成本等方面都有着极其重要的意义。
[硕士论文] 黄然
机械工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:斜盘是轴向柱塞马达的重要部件,支撑着滑靴推动柱塞作轴向运动对缸体柱塞孔内的液体做功,对于柱塞马达可变容积的形成来说是不可缺少的。双侧驱动轴向柱塞马达的新型斜盘机构具有优于普通斜盘的受力情况,但结构更为复杂,对其具体特性需进行相关研究。
  新型斜盘具有多斜面结构,且每个斜面的最大外径应能够保证所对应滑靴的底面与斜盘相接触。分析柱塞及滑靴在斜盘上的运动规律,并以此确定斜盘各斜面的最小几何尺寸;绘制斜盘结构尺寸示意图,根据柱塞、滑靴、转动轴等相关尺寸关系,给出斜盘各斜面边界的数学表达式,并通过计算实例进行说明。
  在对新型斜盘进行结构设计的基础上,对其承受的来自柱塞与滑靴组件的作用力矩、摩擦力矩以及斜盘本身存在的偏心力矩进行具体分析并给出计算公式。在不考虑外部因素如驱动压力、流量脉动、泄漏量等的影响,只考虑配流盘结构形式对液压力所引起的斜盘与缸体之间的作用力与力矩的影响时,对扭矩特性进行更深入的分析,给出理想情况、只考虑三角槽、考虑三角槽及闭死角三种瞬态扭矩计算公式,利用MATLAB分析每排柱塞数均为奇数或偶数时的扭矩特性,并分析闭死角对扭矩特性的影响。
  利用AMESim对双侧驱动轴向柱塞马达进行液压建模,并根据MATLAB仿真分析结果进行模型参数设置,同时建立普通轴向柱塞马达系统仿真模型,对两者启动特性进行对比分析。在了解双侧驱动轴向柱塞马达启动特性的基础上,从不同排量比、不同排量、不同负载惯量三个方面对启动时斜盘机构处的力矩响应进行仿真分析。
  论文对斜盘机构的结构设计、力矩分析及启动特性进行了分析,研究结果对双侧驱动轴向柱塞马达整体结构的设计与性能优化提供了参考依据。
[硕士论文] 许攀
机械工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:滑靴副是轴向柱塞泵/马达的关键三大摩擦副之一,诸多专家学者的研究表明,轴向柱塞泵/马达的失效模式主要是摩擦副的磨损失效,其中尤其是滑靴副的磨损失效。本文以轴向柱塞泵/马达滑靴副的设计方法为载体,提出了一种以液压力和电磁力相平衡的磁性滑靴副。在此基础上,设计了磁性滑靴副的基本结构,重点研究了磁性滑靴副的电磁特性和油膜特性,研究成果为磁性滑靴副实用化奠定了基础。对其结构和特性分析得出以下结论:
  (1)提出了磁性滑靴副的结构,介绍了磁性滑靴副的工作原理及其结构参数的选择,建立其数学模型和有限元模型。在电磁特性研究中分析了电压、电场强度、磁场和磁感应强度等因素对磁性滑靴副工作性能与使用寿命的影响。研究表明:磁性滑靴副结构中铁芯与斜盘接触的位置电场强度最大,其接触的气隙易出现放电使材料老化影响其使用寿命;磁场的主磁路能够构成闭合的回路且漏磁现象较少,励磁绕组线圈相互之间的磁场分布不存在叠加和干涉;励磁绕组线圈安匝数越多产生的电磁力越大,通入不同的电流时磁感应强度的峰值均出现在靠近励磁绕组线圈顶端的位置,达到峰值后,磁感应强度迅速衰减,其后磁感应强度衰减趋于平滑,达到励磁绕组线圈底端时磁感应强度最小。
  (2)针对磁性滑靴副的数学模型,推导出电磁力的公式并验证其正确性,在油膜特性研究中分析了滑靴转速、负载、电磁力大小等因素对磁性滑靴副油膜厚度的影响。研究表明:在保证热楔支承力和剩余压紧力合力平衡时,负载对电磁力影响大于滑靴转速对电磁力的影响;随滑靴转动角度的改变,油膜厚度也相应的发生变化;滑靴转速的改变对油膜厚度影响很小,滑靴角度转到270°时油膜厚度达到最大值,其后油膜厚度逐渐减少。
  (3)通过对轴向柱塞泵/马达磁性滑靴副整个运动过程中油膜变化的分析,设计轴向柱塞泵/马达磁性滑靴副油膜的测试试验台,其意义在于能够方便灵活的调节滑靴副的油膜的厚度,减少滑靴副因磨损而失效。
[博士论文] 高雄发
流体机械及工程 江苏大学 2017(学位年度)
摘要:旋流泵结构特殊,内部流动十分复杂,由于其抗缠绕、无堵塞性能好,因此广泛应用于工业浆料输送、城市排污、农业生产养殖等领域,特别适合于浆料、泥浆的输送。然而,目前旋流泵的效率普遍偏低,能耗较大,在输送纸浆时,低效不仅浪费了水资源,带来了环境污染,同时增加了纸浆输送能耗。旋流泵叶轮为半开式,叶轮安装在后泵腔,前泵腔为一个宽广的无叶腔区,由于无堵塞性要求高,叶轮出口离蜗壳进口有一定的距离。因此,旋流泵运行时,叶轮前盖板端面有直接流入流出的现象,无叶腔内同时包含着多种复杂的流动,导致旋流泵的水力损失较大,叶轮对介质做功并没有全部转化为压能,而是部分能量传递到无叶腔的贯通流和循环流中,这是导致旋流泵的效率和扬程低下的主要原因。
  本文以型号为SCP200-400的原型泵为例,分析比转数ns=166型旋流泵结构参数,基于正交优化设计法、PCAD优化设计软件、CPF数值预测软件、PIV粒子成像测速技术以及压力脉动试验等手段,通过多种方法剖析旋流泵内部的流动特性,从而研究旋流泵的内部流动机理,研究的主要内容和取得的创造性成果如下:
  (1)以型号为SCP200-400的原型泵为例,结合其外特性,分析该型号旋流泵的结构特点,并基于CFD数值计算软件,通过网格无关性分析与湍流模型分析,找出该泵的网格数和较好的湍流模型,为接下来的原型泵优化设计提供基础。
  (2)分析原型泵试验结果和结构参数,找出影响旋流泵性能的主要结构参数,初步确定叶轮外径D2、叶片数Z、叶片宽度b、叶片出口安放角β2、叶片进口安放角β1为主要结构参数。然后利用正交试验法,对每个因素选取四个水平,选用L16(45)正交表,配置出十六种方案,采用PCAD水力设计软件,设计出十六副叶轮水力模型图,通过前述的CFD数值模拟方法,对十六种方案进行额定工况下的数值计算,应用正交分析法得出各因素对效率和扬程的影响规律,并分析单因素分别对效率和扬程的影响主次。为了更准确地找出影响旋流泵性能的主要结构参数,再次选取小范围内的因素和水平数,进行二次正交试验,最终得出性能较优的方案。
  (3)旋流泵在输送纸浆、泥沙等介质时,固相对主要过流部件产生磨蚀,特别是叶片表面的磨蚀比较严重,导致泵不稳定性增加。然而在实际运行过程中,由于固相的存在,加上污水的透明度不高,很难通过实验拍摄手段研究内部流场的固相流动和分布情况。因此,通过数值计算预测软件,在额定流量工况下,分别对三种不同粒径即0.1mm、0.5mm及1.0mm,和三种不同的固相体积分数即1%、5%及10%的固液两相流动进行数值计算,分析其对旋流泵内部流动的影响规律,研究固相对叶轮壁面的磨损情况。
  (4)为了能更深层次地研究旋流泵的内部流动机理,设计出三种不同叶轮参数的模型,加工成模型泵,进行外特性试验,并与数值计算结果对比分析。基于PIV粒子成像测速技术,从内部流场流动特性出发,探索性研究旋流泵内部流动机理,分析无叶腔中复杂的流动模型。研究发现,叶片安放角较大时,叶片内部更容易产生多种不同的漩涡;当叶片安放角减小后,流道变得较狭窄,叶片对液体的束缚力增强,在流量不变的情况下,狭窄的流道贯流速度较大,叶片从工作面流入到背面的液体流速被抵消减弱,不容易形成漩涡流动。无叶腔中的相对流动速度是随着流量的增大而增大的,反过来,我们发现无叶腔中的绝对流动,即循环流速随着流量的增大而减小。无叶腔内环面的循环流速明显强于外环面的循环流速,且内环面的贯通流为其主要的流动方式。
  (5)为了从不同角度研究旋流泵内部的流动状态,在模型泵的蜗壳上进行钻孔定位,分别通过试验研究与数值预测两种方式,研究流场非对称性流动造成的蜗壳内流场的压力脉动特性,以及蜗壳内瞬态静压波动情况,分析旋流泵不稳定运行的特性。研究发现,蜗壳内监测点的压力脉动主频并非在一倍叶频区,而是在一倍转频区附近,说明造成蜗壳内压力波动较大的主要原因是泵的转频,而非叶频。
[硕士论文] 邱俊彭
机械工程 中北大学 2017(学位年度)
摘要:离心泵机组在生活与生产中有着广泛的应用,为实现离心泵机组的安全高效运行,必须对其运行状态进行实时监测。目前,对离心泵机组的状态监测系统绝大多数还停留在只能在中控室进行监测的状态,同时在需要进行设备巡检的时候,巡检人员需要对整个工厂的所有离心泵设备进行实地查看与记录,会出现疲于跑现场的情况。
  针对以上问题,设计开发了基于Android的离心泵机组状态监测系统,开发出一款专门用于离心泵机组远程状态监测的手机App,利用互联网在移动客户端实现对离心泵机组的远程状态监测和移动巡查。该系统的主要研究内容包括下面四部分:
  (1)首先对离心泵机组状态监测的主要性能参数及传统监测系统进行了研究,在此基础上设计出了基于Android的离心泵机组远程状态监测系统的整体架构,将系统设计为四个组成模块,并对传感器、摄像头、数据采集卡等硬件进行了选型。
  (2)选定常用的输水管网系统中的离心泵机组作为本次监测对象,通过组态王软件完成了上位机组态界面的开发设计,并将采集到的离心泵机组运行的各项数据写入到MySQL数据库。通过XAMPP集成软件搭建了本地服务器,实现了数据从本地数据库到服务器的传输。
  (3)通过Android Studio软件结合上位机组态针对离心泵机组的各个监测对象设计开发手机了手机App,完成了App与服务器的实时数据传输,从而实现了手机端实时查看离心泵机组的运行参数、超限报警、远程视频监控等功能。
  (4)最后,在实验室搭建了单台离心泵实验平台,对整个系统的功能及性能进行了系统性测试,验证了基于Android的离心泵机组状态监测系统的实用性。
  本系统实现了手机客户端对离心泵机组运行状态的实时准确状态监测,使在传统工业现场中设备维护与调试的现场操作人员能够更加准确、快速的获取离心泵的相关参数,提高工作效率。“互联网+”的提出加快了互联网与传统工业的融合,本系统紧跟最新发展趋势,实现了互联网和传统状态监测的融合,对工业上的离心泵机组状态监测具有重要的探索意义和实用价值。
[硕士论文] 王淑生
机械工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:随着我国区域性调水工程的推进,一批大型泵站将投入建设。同时,以前的大型泵站将进入更新改造时期。泵站水泵机组的耐久性直接影响水泵机组的检修费用和泵站功能的发挥。泵站水泵机组的耐久性主要由水泵机组关键部件的耐久性决定。研究水泵机组关键部件的耐久性,提出提高水泵机组耐久性的措施,对保障水泵机组安全可靠,减少维修费用,充分发挥泵站效能具有理论及应用意义。
  本文以ZLQ13.5-8型轴流泵为研究对象,确定了其主要的失效发生在叶轮叶片与水导轴承。其中,叶片的主要失效形式是叶片汽蚀和叶片根部的断裂,导轴承的主要失效形式为轴瓦材料的过度磨损。根据各部件的主要失效形式,研究导致各部件失效的主要因素。其中,导致叶片汽蚀的部分原因为:轴流泵中的流场情况对叶片的影响。叶片振动频率与叶片固有频率相近是叶片根部疲劳断裂的一个原因。导轴承上载荷不均匀分布是轴瓦材料磨损的重要原因。为研究叶片上受力情况,根据轴流泵尺寸参数对轴流泵三维建模,并通过有限元分析软件对轴流泵内的流场进行了模拟仿真。得到了轴流泵内流场在各部件中的流动形式,流体对叶轮与导叶体的流体载荷。再将流体动力学分析得到的叶片上载荷导入到结构静力学分析中,作为静力学分析的初始条件,得到叶轮叶片上应力分布情况与位移分布情况。
  为有效避免叶轮发生共振损伤叶片,在静力学分析的基础上对叶轮进行了有限元模态分析,得到了叶片的固有振动频率,确定了叶片上各部位的主要振动形式,总结了各阶次振动的规律,得到了叶片振动时最大变形对应的位置,可以使叶轮工作转速远离共振转速,避免外力频率接近叶片固有频率,避免叶片振动剧烈产生疲劳损伤。
  轴瓦材料的磨损与轴瓦上的载荷有关。为研究聚氨酯轴瓦上的载荷分布,对轴瓦与泵轴间的流场进行了仿真模拟,得到载荷在流场圆周方向的分布规律,并将流体载荷添加到轴瓦上,确定了聚氨酯材料上载荷的分布及变形情况,对轴瓦磨损情况提供了有效的依据。根据水润滑导轴承的结构,提出一种优化导轴承结构的方案,这种结构易于塑料材料的散热,而且在轴瓦部分磨损时,只需更换损坏的部分,节约了轴瓦衬材料。
[硕士论文] 惠东林
机械工程 大连海事大学 2017(学位年度)
摘要:双螺杆泵具有流量稳定、压力平稳、自吸能力强、效率高及稳定性强等优点,广泛应用于石油化工、航运、污水处理等行业。但由于输送介质、工作环境等复杂多变,螺杆泵易发生疲劳破坏,因此,对双螺杆泵主轴疲劳强度的分析研究具有重要意义。本文以某采油储运系统使用的Ω型双螺杆泵设计为应用背景,分析了双螺杆泵在额定工况下运行时转子系统的工作特性,建立了主轴载荷模型;通过试验测试,获得主轴材料疲劳寿命曲线,据此进行了主轴的疲劳分析;并以提高可靠性为目标对双螺杆泵主轴结构进行了优化设计。
  本研究建立了典型螺杆转子端面型线方程和转子系统三维模型,进行了转子动平衡优化设计;运用FLUENT分析了双螺杆泵在额定工况下流道内的压力分布规律,为双螺杆泵主轴载荷预测提供数据支持。考虑自身重力、齿轮传动、介质压力、缝隙回流等因素,建立了双螺杆泵主轴轴向力和径向力的载荷模型,为双螺杆泵主轴疲劳分析和优化设计奠定基础。进行了螺杆泵主轴常用材料05Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的疲劳拉伸试验,分析获得了该材料的疲劳特性曲线;在此基础上,考虑应力集中和平均应力修正等因素,利用ANSYS Workbench软件分析了以该不锈钢作为主轴材料的双螺杆泵在某采油储运系统中使用的疲劳寿命满足要求。但基于疲劳可靠性设计理论分析表明,主轴疲劳可靠度仅为0.8643。为解决主轴疲劳可靠度较低的问题,基于响应面法和有限元分析,以主轴直径、倒角度数和动力端轴伸长度为优化变量,各变量的极限值和主轴法向最大变形为约束条件,主轴危险截面承受的等效交变应力最小为优化目标,建立了双螺杆泵主轴优化设计模型。优化结果显示,与原设计相比,优化后的主轴危险截面承受的等效交变应力降低了26.2%,法向最大变形量降低了25.2%,无限寿命可靠度和疲劳安全系数均满足设计要求。
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