基于ANSYS水环真空泵转子静力学和模态分析

水环真空泵具有构造简单、等温压缩、方便使用维修等特点,特别适合抽吸和压缩易燃易爆气体。转子部件在水环真空泵的稳定运行中发挥关键作用,其设计强度直接影响着产品的质量和寿命。通过ANSYS有限元分析软件对转子部件进行了静力学分析和模态分析。结果表明:水环真空泵泵轴和叶轮最大变形量均未超过材料允许的变形量。通过模态分析可知水环真空泵工作转速远低于转子系统的一阶临界转速,系统不会发生共振。研究验证了水环真空泵的工作可靠性,为转子部件以及产品整体结构优化设计提供了理论依据。

水环真空泵壳体及关键运动副力学分析

水环真空泵工作过程需要适应多种复杂的工况,关键零部件的力学性能和运动副的可靠性对水环真空泵整体工作有重要影响。本文使用ANSYS对水环真空泵分配板、泵体、泵盖进行静力学分析,得到其应力云图、变形云图和安全系数图,并对关键运动副作受力分析,得到各方向的力和力矩。结果表明:泵体、泵盖、分配板应力分布均匀,且小于材料的屈服极限,变形量小于允许变形量,安全系数高,强度、刚度足够;运动副的作用力和作用力矩均小于最大承受强度,连接方式可靠。

煤矿瓦斯抽放用水环真空泵工作液温度调节控制系统研究

煤矿瓦斯抽放系统耗电量大,水环真空泵运行效率低。在测试水环真空泵工作液入水口温度与吸气量关系基础上,提出了一种水环真空泵工作液温度调节控制方法。优化了水环真空泵工作液冷却循环系统,完成了系统硬件设计选型,并进行了系统软件设计,通过PLC对变频电机的闭环控制实现了对工作液温度的实时调节。试验证明,该控制方法能有效降低水环真空泵的入水口工作液温度,从而增大水环真空泵的吸气量,并有节能效果。

利用VOF模型模拟水环真空泵的气液两相流

水环真空泵的气液两相流动非常复杂,利用相关流体机械理论很难准确描述其流动规律,一定程度上增加了水环真空泵新产品的设计研发难度。本文结合2BEA-703型水环真空泵,建立了水环真空泵的三维瞬态Computational Fluid Dynamics模型。首先通过数值模拟分析了叶轮和泵腔内部的相态分布、压力分布以及固定截面的流线分布规律,然后对比分析了不同转速对水环真空泵内部流场的影响。根据仿真结果,准确地捕捉泵内气液分界面,揭示了气液两相流流动规律。研究结果用于新型水环真空泵的辅助设计制造,保证了产品的设计指标实现。

水环真空泵的欧拉方程推导及大型水环真空泵节能分析

本文应用动量、动量矩定理推导了水环真空泵的欧拉方程,分析了转速变化对泵的气量和轴功率的影响及大型水环真空泵的节能原理。

水环真空泵在煤矿瓦斯气体抽放工况下的应用与选型

本文介绍了水环真空泵气量的定义、测量方法及与标准工况流量的换算,对补充水的温度、被抽气体的温度、排气压力等对抽气量的影响及转速对轴功率的影响进行了分析,并对选型提出了建议。

水环真空泵抽饱和空气体积流量的计算公式推导及应用

本文就水环真空泵气量测定方法的国家标准中提出的计算饱和空气体积流量公式进行了推导并说明其应用条件,对已知饱和空气体积流量推算干空气体积流量的公式进行了推导。

液环真空泵吸排气段壳体型线耦合优化分析

采用直接自由曲面变形方法对液环真空泵吸排气段整个壳体型线进行参数化控制,运用响应面法建立壳体型线与进口真空度和效率的多参数回归模型,基于NSGA-Ⅱ算法进行液环真空泵性能的多目标优化,并对比分析优化模型与初始模型的内流场和外特性.结果表明:NSGA-Ⅱ多目标优化得到真空度最优模型的真空度提升了4.5%,效率最优模型的效率提高了1.3%;壳体型线的各个区域对液环真空泵的进口真空度和效率都有显著影响,但吸气段壳体型线对液环真空泵性能的影响明显大于排气段;在传统设计的基础上,适当增大吸气段壳体的径向尺寸有利于提升泵进口真空度,具有较小吸气区流道面积扩散比和排气区流道面积收缩率的壳体型线水力效率更高;压缩区径向尺寸较小的壳体型线有利于提升排气口压力,减少排气口回流,从而提升泵的效率.

液环真空泵内部流场仿真与性能试验

液环真空泵研发周期长、资金投入大、研发失败率高。为解决以上问题,本文用ANSYS对工作过程中的液环真空泵内部流场进行仿真,通过对液环真空泵工作过程中泵体内的工作液和空气动态分布、流体速度动态变化、压力分布动态变化进行计算分析,验证液环真空泵的设计是否合理。根据仿真结果确定设计方案后,对液环真空泵各部件进行机加工生产,并在组装成型后进行液环真空泵关键性能测试。经测试,液环真空泵工作正常且各设计指标均达到预定要求。在实际生产中证明,经流场仿真分析后液环真空泵设计成功率高,并且能缩短其研发周期,节约资金,为企业带来了较大的经济效益。

等离子喷涂制备疏水氧化钇稳定氧化锆涂层及其抗垢耐蚀性研究

针对水环真空泵叶轮叶片、壳体等关键部件的结垢与腐蚀问题,采用等离子喷涂工艺和硬脂酸表面修饰的方法在Q235B基体表面制备疏水的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层。采用扫描电子显微镜、能谱仪、万能拉伸试验机、接触角测量仪等仪器和结垢试验、电化学试验等方法对涂层的微观结构及性能进行表征。结果表明,YSZ涂层表面具有“乳突”状的微纳结构,组织结构较为致密。NiCrMoFe粘结层的添加使涂层的结合强度提高了31%。硬脂酸修饰后涂层表面的平均水接触角达到141.8°,在过饱和碳酸钙溶液中浸泡后的结垢少,在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电流密度与基体相比降低了94%,表现出良好的抗垢耐蚀性能。

双吸式液环泵内流场及壳体压力脉动分析

为分析大流量液环泵内流场与外特性,文章对双吸式液环泵内部流动进行数值模拟,对轴向不同位置的内流场和壳体压力脉动特性进行研究。结果表明:轮毂直径的变化主要影响气相的分布,过渡区气相面积随着轮毂直径的减小逐渐增加。叶轮流道内速度流线曲率变化剧烈,吸排气口附近流速较高,二次流旋涡主要集中在压缩区和过渡区,在轴向上中间截面过渡区内旋涡更加明显。壳体内壁压力脉动幅值在圆周角50°和300°附近出现极大值,压力脉动幅值极差随着轮毂直径的减小而降低,各特征截面压力脉动幅值极差分别为4.9 kPa、4.8 kPa、4.7 kPa。轴向不同位置相同角度处压力系数的主频特征基本相同,压缩区壳体内壁压力脉动一阶主频为轴频,其他区域的主频为叶频。从吸气区至排气区,叶频对应的压力脉动幅值逐渐减小,在压缩区达到最小值后呈增加趋势。

基于直接自由曲面变形技术的液环泵壳体优化

对液环泵壳体型线进行优化分析,提出了基于直接自由曲面变形(DFFD)方法的液环泵壳体型线的响应面优化方法.采用DFFD方法对液环泵壳体型线进行精确的参数化控制,在控制变量空间进行了试验设计,采用VOF模型对液环泵内的气液两相流动进行数值模拟,对液环泵壳体型线进行响应面优化分析,建立了液环泵壳体型线与其进口真空度及效率之间的响应关系,实现了对液环泵进口真空度及效率的优化.算例优化结果表明:壳体型线对液环泵水力性能有较大的影响,在一定范围内可实现泵效率及进口真空度的提高;具有较大吸气区面积扩散比的壳体型线所对应的液环泵具有较高的进口真空度,而泵的效率随该面积比的变化规律正好相反;在试验设计变量空间,泵的效率随其进口真空度的增大近似呈线性下降趋势.

液环泵叶片轴向叶顶凹槽间隙流场及其性能

为改善液环泵轴向叶顶间隙泄漏流场结构,提升液环泵水力性能,提出液环泵叶片轴向叶顶凹槽结构设计,以2BEA-203型液环泵为研究对象,采用数值模拟方法分析液环泵叶轮轴向间隙泄漏流动及其与主流的相互干扰作用,对比分析凹槽叶顶与平顶间隙泄漏流动及其性能.分析结果表明,液环泵内流动呈现复杂的三维结构,凹槽型叶顶间隙能够在一定范围内提升液环泵的效率及真空度,在大流量点0.07 kg/s时的吸入真空度相对平顶型叶片提升5.26%,其他各流量点真空度及效率也略有提升;凹槽型间隙除在凹槽内产生凹槽涡及凹槽角涡外,在叶片压力面叶顶处角涡及叶片吸力面后方的泄漏涡结构与叶片平顶型间隙基本相似.轴向叶顶压力面附近角涡及吸力面后方的泄漏涡强度由轮缘到轮毂逐渐增强,凹槽型轴向叶顶能够在一定程度上减弱角涡及泄漏涡量的分布;在气相分布区域,叶顶间隙泄漏涡强度明显高于液相分布区域.由于凹槽的缓冲作用,使得间隙内及叶片吸力面后方的泄漏流速、湍流强度及总压损失均有一定程度的减小,达到提升泵的吸入真空度和效率的目的.

基于响应面实验对液环泵叶轮高能效优化设计

为了提升液环真空泵的水力性能,基于2BEA-703型水环真空泵为优化对象,利用VOF模型对液环真空泵数值模拟,对吸气量和效率进行优化分析。通过数值模拟分析内部流场的压力和气液体积分数,结合BBD响应面实验对叶轮参数进行优化设计,建立14组响应面实验结果的响应面模型。选取优化前后实验数据进行分析得:存在最佳参数组合,液环真空泵的最大吸气量提升114.757 m^(3)/min,等温压缩效率提升4.9%,能效提升12.55 m^(3)/(kW·h)。液环真空泵内部流场压力过度均匀、气液分布清晰,工作液对气体做功更加充分,对进一步液环真空泵的改进设计提供了参数指标。

煤矿瓦斯抽放浓度控制系统设计

针对现有煤矿瓦斯抽放控制采用粗放式控制方法存在瓦斯抽放浓度控制缺失和水环真空泵能耗高等问题,设计了一套煤矿瓦斯抽放浓度控制系统。该系统基于分级调节思想,在控制程序集中控制下,通过瓦斯浓度传感器检测抽采管路中的瓦斯浓度,利用PLC逻辑运算功能计算出瓦斯浓度变化率,并根据瓦斯浓度变化分级调节电动瓦斯调节阀开度和水环真空泵变频电动机转速,以提高抽采瓦斯浓度,从而提高抽采瓦斯利用率。试验结果表明,该控制系统能有效提高抽采瓦斯浓度,瓦斯体积分数可提高3.6%~4.2%,使抽采瓦斯利用率大大提高;且节能效果明显,瓦斯抽放浓度控制后节能效果提高了24%。

一种智能型移动瓦斯抽放泵站

设计了一种智能型移动式瓦斯抽放泵站。通过在移动式瓦斯抽放泵站上设计安装智能监控分站和软化水装置,实现了对瓦斯抽放过程中各参数的监测以及对瓦斯抽放泵站各部分的控制,并缓解了水环真空泵内部结垢问题。试验证明:智能型移动式瓦斯抽放泵站工作状态良好,能很好地补充地面泵站的不足,完善瓦斯抽放设备体系。

瓦斯抽采系统设计及配套设施选型

为保证煤矿安全生产,在分析赵官煤矿瓦斯抽采难易程度后设计了瓦斯抽采系统敷设管路路线,计算了管径大小和管网阻力。从吸气压力和吸气量两方面选取了瓦斯抽采水环真空泵的型号,并根据煤矿瓦斯抽采泵站设计要求,选择了合适的泵站地址及其附属设备。实际应用证明该抽采系统运行良好,安全可靠,达到煤矿安全生产要求。

液环泵内过压缩特性及排气口单向阀工作机理

针对液环泵内易发生的气体过压缩现象,采用VOF两相流模型对液环泵压缩机工况下的内部气液两相流动进行数值模拟,研究排气口前端单向阀的开启对液环泵流动结构及性能的影响,分析不同压缩比工况下泵内的压力分布以及相态分布等规律。结果表明,随着液环泵排气口压力的降低,液环泵排气口前端容易发生过压缩现象,过压缩现象会导致液环泵的功率损失增大,降低液环泵的效率。排出口压力越低,则过压缩现象越严重。在低压缩比工况下排气口前端的单向阀在压差的作用下自动开启,可以有效地避免发生过压缩现象,提升液环泵的效率及吸气量。为分析排气口前端单向阀面积变化规律对液环泵性能的影响,在原始设计的基础上提出三种不同面积变化规律的单向阀布置,对比分析发现,低压缩比工况下适当增大排气口前端单向阀的面积可以有效地提高液环泵的吸气量,降低阀孔流速,提升液环泵的性能。

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。