矿用多级抢险排水泵内部流动与泵机组转子动力学研究

作     者：徐玉敏 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹卫东

授予年度：2020年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：矿用多级抢险排水泵 高压潜水电机 气液两相流 轴向力 模态分析 临界转速 

摘      要：大型矿用多级抢险排水泵主要用于矿山排水作业,此类型的泵与潜水电机之间一般采用刚性联轴器联接。实际使用中,抢险排水泵与高压潜水电机组成的泵机组潜在水面以下并呈卧式姿态放置。大型矿用多级抢险排水泵具有扬程高、高效率区范围宽的优点。因泵扬程通常较大幅度高于装置扬程,所以在实际应用中此类型的泵经常在大于设计流量点的工况下运行。该类型的部分泵在大流量点运行时泵转子轴向力方向容易发生改变,结果导致电机内部止推轴承严重磨损,部分泵机组的径向滑动轴承也出现磨损严重的情况。本文以一台型号为BQ500-85/4的对称布置式多级抢险排水泵为研究对象,对可能影响泵转子轴向力和转子稳定性的因素进行了系统的研究,主要研究内容和结果如下:(1)对矿用多级抢险排水泵进行定常数值模拟,针对泵叶轮前盖板口环密封尺寸、泵叶轮与导叶轴向间隙,分别选取多组参数并进行模拟计算,得到了泵转子轴向力随口环密封尺寸和叶轮导叶轴向间隙改变时的变化规律。对电机进行定常数值模拟,计算得到了电机转子的轴向力,并得到了电机转子随泵转子轴向移动过程中轴向力的变化规律。(2)对矿用多级抢险排水泵进行气液两相流定常数值模拟,针对泵入口液流条件,基于欧拉多相流模型研究了泵入口混入空气时对泵性能和转子轴向力的影响。考虑到气体在泵内随水流动时的实际变化,分别设置了不同气体体积分数、不同气泡直径等参数量,通过对泵的气液两相流研究和分析泵流道内的流动参数,得到气液两相流条件下泵转子轴向力的变化规律。通过对矿用多级抢险排水泵进行气液两相流分析,可以断定造成泵机组转子轴向力方向发生改变的最可能的原因是泵进口混入了空气。(3)对矿用多级抢险排水泵进行非定常数值模拟,分析非定工况下泵流道内流体压力的变化规律和泵转子轴向力的变化规律。研究结果表明,叶轮叶片数和导叶叶片数会影响流体压力波动和转子轴向力波动性变化的频率,在单相流非定常工况下,泵转子轴向力方向不会发生改变。(4)对泵转子和电机转子组成的泵机组转子进行模态分析和临界转速计算,考虑到径向滑动轴承和可倾瓦推力轴承的刚度和阻尼对机组转子动力学分析的准确性,并为了研究轴承对转子的承载能力,分别开发了计算径向滑动轴承和可倾瓦推力轴承的Matlab程序,可用来计算轴承的承载力,刚度和阻尼。考虑轴承支承转子的刚度和阻尼,并对泵机组转子进行无流场作用下和有流场作用下的转子动力学分析,发现泵流场作用力使得机组转子的一阶固有振动频率明显下降,转子的实际运行转速和模拟计算的二阶临界转速比较接近。