海水淡化高压泵水润滑轴承水膜动力特性研究

摘要

随着全球淡水资源的日渐短缺，优先发展海水淡化技术已成为世界各国解决沿海区域淡水资源危机的重要手段和必然选择。海水淡化系统中，海水淡化高压泵是反渗透海水淡化系统的主要耗能设备，它采用两端水润滑轴承支撑的多级泵结构，有利于提高效率，简化泵的结构，降低设备制造成本，同时也可有效避免因密封泄漏引起的水污染。水润滑轴承作为主要的弹性支撑部件，其性能好坏直接影响整个转子系统，因此深入研究海水淡化高压泵水润滑轴承水膜的动力学特性，分析多种工况下水润滑轴承的水膜力-转子耦合系统瞬态动力响应特性，解决我国海水淡化工程中关键动力装备的主要科学问题，对我国海洋资源的有效利用和缓解我国淡水危机具有十分重要的意义。本文是在国家自然基金项目《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》课题的支持下完成的，主要研究内容及成果如下:
　　(1)简要介绍了流体动压润滑理论，对水润滑轴承液膜进行三维建模和结构网格划分，采用流固耦合方法对水润滑轴承-转子系统进行瞬态数值模拟，得到了不同半径间隙和不同转速下的轴心轨迹变化规律。结果表明:当进水压力p=0.1MPa时，随着转速的增加，不同间隙下轴颈涡动轨迹的变化情况差异较大，当半径间隙小于0.2mm时，转速越高，转子系统的稳定性越好。当进水压力p=0.2MPa时，转子系统在低于1500r/min运行时，水润滑轴承半径间隙宜取大于0.20mm有利于转子系统的稳定;当转速增大时，水润滑轴承半径间隙不宜大于0.20mm，在3000r/min运行时，半径间隙为0.15mm时系统的稳定性最好。
　　(2)依据海水淡化高压多级泵的结构特点，设计了由主轴驱动系统、水润滑轴承机械装置部分和信号测试采集系统等组成的水润滑轴承试验台。在主轴上均匀放置四个圆盘来模拟海水淡化多级泵在运行过程中多级泵上所承受的径向载荷，通过调整圆盘外径、厚度或数量来调整载荷大小，操作简单，调整方便，有效的简化了加载方式。采用压力脉动传感器和电涡流位移传感器对轴承水膜周向压力分布和轴心轨迹进行测试，采用AVANT型数据采集与分析仪对试验数据进行采集。针对不同半径间隙（0.15mm、0.20mm、0.25mm和0.30mm）、不同转速(1500r/min、2000r/min、2500r/min和3000r/min)和不同进水压力(0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa)设计了48组试验方案，在水润滑轴承试验台上实行干转子试验，并对数据结果进行采集。该试验台很好的模拟了多级泵在实际运行过程中的工作状态。
　　(3)对采集的48组试验数据进行分析，研究了不同半径间隙、不同进水压力和不同转速对轴心轨迹以及轴承周向压力分布的影响。试验结果表明:进水压力对系统的稳定性影响不大，在小间隙高转速的情况下，保证一定的进水压力有利于提高转子系统的稳定性，而在大间隙低速情况下，进水压力对转子系统的稳定性影响较小，进水压力的最佳选择为0.2MPa;转速对系统的稳定性影响较大，在轴承的半径间隙小于0.2mm时，转速增大有利于转子系统的稳定性提高，而当半径间隙大于0.2mm时，降低转速有利于转子系统的稳定性提高，当半径间隙为0.15mm时，转速为3000r/min最佳，当半径间隙为0.30mm时，转速应不超过1500r/min;半径间隙对系统的稳定性影响较大，对于低速转子应选取较大的半径间隙，有利于转子系统的稳定性提高，而高速转子半径间隙应不大于0.20mm，才能保证系统的稳定性，当转速3000r/min时，半径间隙为0.15mm最佳，当转速为1500r/min时，半径间隙为0.30mm最佳。试验研究结果与数值模拟结果基本一致。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 滑动轴承的研究现状

1．2．1 水润滑轴承理论研究现状

1．2．2 CFD在滑动轴承中应用的研究现状

1．2．3 滑动轴承试验台的研究现状

1．3 主要研究内容

第二章 滑动轴承润滑理论及数值模拟分析

2．1 滑动轴承流体润滑理论及基本方程

2．1．1 滑动轴承流体润滑理论

2．1．2 润滑液膜的形成原理

2．1．3 液体动压润滑的基本方程

2．1．4 Reynolds方程的边界条件

2．2 计算方案的确定

2．2．1 流固耦合计算方法

2．2．2 刚体运动设置方法

2．2．3 CFX网格重构技术

2．2．4 网格重构设置

2．3 计算模型的确定

2．3．1 三维造型

2．3．2 网格划分

2．3．3 网格无关性验证

2．3．4 数值模拟

2．4 水润滑轴承轴心轨迹的瞬态特性

2．4．1 不同转速下的轴颈涡动轨迹分析

2．4．2 不同半径间隙下的轴颈涡动轨迹分析

2．5 本章小结

第三章 水润滑轴承试验装置设计

3．1 试验装置总体设计

3．1．1 海水淡化高压多级泵

3．1．2 试验装置的设计

3．2 试验范围

3．3 试验方案设计

3．4 本章小结

第四章 水润滑轴承的试验研究

4．1 稳定转速下轴承轴心轨迹分析

4．1．1 不同进水压力下的轴心轨迹分析

4．1．2 不同转速下的轴心轨迹分析

4．1．3 不同半径间隙下的轴心轨迹分析

4．2 轴承周向压力分析

4．2．1 不同进水压力下轴承周向压力分析

4．2．2 不同转速下轴承周向压力分析

4．2．3 不同半径间隙下轴承周向压力分析

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目及发表的学术论文