海水淡化高压泵水润滑轴承—转子耦合系统启动瞬态过程综合研究

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在反渗透海水淡化系统中,海水淡化高压泵是该系统的关键动力设备,它是典型的轴向吸入节段式、两端水润滑轴承支撑的多级泵结构。作为系统的动力源,由于其工作状态的特殊性即启停频繁,在每次启动过程中水润滑轴承轴颈的偏心率和偏位角(即轴心位置)处于瞬变过程,轴瓦常处于干摩擦和边界润滑状态,易引起轴瓦磨损、转子振动等系统稳定性问题,严重时可能出现轴颈与轴瓦咬死,导致系统停机,损伤装备和影响淡水生产。所以,高压泵启动过渡过程中的水润滑轴承工作状态的研究是非常必要的。  本文依托国家自然基金项目《海水淡化高压泵水润滑轴承—转子耦合系统瞬态动力特性研究》针对典型万吨级海水淡化高压泵的启动瞬态过程进行综合研究,为揭示海水淡化高压泵水润滑轴承—转子耦合系统在启动瞬态过程中液膜流场的动态分布规律及其动力传递机理奠定基础。本文研究的主要内容及技术路线如下:  1.建立海水淡化高压泵在启动时的力矩平衡方程并对其离散化处理,然后通过MATLAB编程计算出转速随时间的变化规律和启动总时间。  2.以轴承—转子系统的有限元模型为基础,建立其在外激励作用下的动力学运动微分方程,并结合滑动轴承动特性系数的小参数算法,最后将以上建立的海水淡化高压泵水润滑轴承—转子耦合系统的动力学方程与求解水润滑轴承液膜动特性的小参数算法联立,从而建立海水淡化高压泵水润滑轴承—转子系统的瞬态耦合动力学模型,并以此模型为基础提出一种计算高压多级离心泵启动瞬态轴心轨迹的动态耦合迭代算法,利用该算法并结合MATLAB编程技术将启动瞬态轴心轨迹离散化处理,为数值计算二次开发提供基础。  3.利用计算流体动力学Fluent二次开发平台并调用相关DEFINE宏函数实现轴颈的平移和旋转运动,同时利用动网格技术实现水润滑轴承在启动瞬态阶段其三维非定常液膜流场的动态更新,最后对数值计算结果进行数据后处理,得到启动阶段三维非定常液膜流场压力和速度的瞬态分布,这种瞬态数值模拟为本文对启动瞬态过程的研究提供了更加接近实际的数据。  4.本课题最后利用前期设计研制的海水淡化高压泵结构专用水润滑轴承试验台为对海水淡化高压泵水润滑轴承启动瞬态轴心轨迹和瞬态压力分布进行实验研究,并将测量结果与理论分析和数值模拟结果进行对比分析其同异性。从总体对比结果看,实验结果与理论分析和数值模拟结果基本相符。  本文通过三大研究手段,即理论分析、数值计算和实验研究对海水淡化高压泵水润滑轴承—转子耦合系统在启动瞬态阶段的运动轨迹和三维非定常液膜流场的瞬态分布规律进行了综合研究,为进一步改进万吨级海水淡化高压泵系统的启动性能提供了一定的研究基础。
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