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

Desalination high-pressure pump rotor system stability is one of the important problems in the large desalination system, and the dynamics of water lubricated bearing and rotor coupled system is the basic study to solve this problem. The contents of this project are as following. 1) The flow field and pressure distribution in water film and transient response of rotor system will be analysed based on the finite difference method and finite element method respectively. The mathematical model of water lubricated bearing water film-rotor system will be established, and the axis trajectory during pump starting and stopping periods will be analysed; 2)The unsteady liquid film flow field will be simulated by the by using Fluent secondary development and moving grid technology.The transient pressure distribution, pressure fluctuation in the circumferential direction of bearing bush and axis movement rules will be measured to clarify the mechanism of water film power transmission during pump starting and stopping processes;3) Considering the exciting force induced by unsteady rotor-stator interaction between multi-stage impellers and guide vanes and rotor unbalance and the water film damping, the dynamic characteristics including rotor critical speed, mode, eddy trajectories and unbalanced response，will be investigated based on fluid-structure interaction method, and the water lubricated bearings dynamic characteristics in the rotor deformation conditions will be discussed as well. This project aims to reveal the power transfer mechanism of the water lubricated bearing liquid film, master the transient dynamic characteristics of water lubricated bearing-rotor coupled system, and establish the criteria of the rotor bearing lubrication state.

海水淡化高压泵转子系统稳定性问题是万吨级海水淡化工程急需解决的难题之一,研究水润滑轴承-转子耦合系统的动力特性是解决该问题的基础研究。本项目研究内容包括：1）采用有限差分法和有限元法分别研究水膜流场压力分布和转子系统瞬态动力响应，建立水润滑轴承水膜-转子耦合系统数学模型，并分析泵启停过渡过程轴心运动轨迹；2）基于Fluent二次开发和动网格技术，实现启停过程非定常液膜流场数值计算，并测量不同载荷下轴瓦周向瞬态压力分布和轴心运动规律，阐明泵不同工况下的水膜动力传递机理；3）考虑多级叶轮和导叶非定常相干诱导的激振力、转子不平衡和水膜阻尼等因素，基于流固耦合方法研究高压泵转子系统临界转速、模态、涡动轨迹和不平衡响应，并关联分析转子变形条件下水润滑轴承的动力特性。本项目旨在揭示水润滑轴承液膜动力传递机理，掌握水润滑轴承水膜力-转子耦合系统的瞬态动力特性，并建立转子系统滑动轴承润滑状态的判定准则。

本项目针对海水淡化高压泵转子系统稳定性问题，以水润滑轴承-转子系统为研究对象，基于数值模拟和试验研究并重的研究方法，研究了海水淡化高压泵水润滑轴承转子系统的启动瞬态特性，掌握了水润滑轴承-转子耦合系统在瞬态载荷、周期不平衡载荷、干湿转子等不同工况和条件下的瞬态动力学特性。已取得的主要研究成果如下：1）针对海水淡化高压泵启动过程，系统研究了海水淡化高压泵启动瞬态轴心轨迹。基于耦合迭代方法对启动瞬态轴心轨迹进行理论计算，揭示了启动瞬态过程轴承的三维液膜瞬态分布规律。设计并搭建了水润滑轴承综合试验台，测量了启动瞬态转子的轴心轨迹及启动瞬态液膜压力分布，验证了数值模拟方法的准确性。2）针对不同外部载荷对海水淡化高压泵水润滑轴承转子系统特性的影响，研究了水润滑轴承-转子系统在矩形、阶跃脉冲和三角脉冲瞬变载荷作用下，轴心轨迹、水膜承载力和最小水膜厚度的变化规律。研究结果表明，在瞬变载荷作用时，轴心位置、水膜承载力和最大水膜压力都有较大的变化并呈现一定的振荡过程；由于脉冲载荷作用时间有限，随着其消失，轴心位置仍收敛于原来的平衡位置，而阶跃载荷则使轴心位置收敛于新的平衡位置。3）基于流固耦合方法，研究了进出口压差、转速、不平衡偏心距、长径比、偏心率、偏位角与间隙七种不平衡载荷对轴颈涡动的影响。研究结果表明，进水压力、转速、长径比和轴承间隙对轴颈涡动振幅和轴心涡动位置都影响较大，不平衡偏心距的改变对轴心涡动位置没有明显的影响，而偏心率与偏位角的改变对轴颈涡动振幅没有明显的影响。4）针对水润滑轴承不同半径间隙、不同转速和不同进水压力条件，通过实验测量，分析不同参数下轴心轨迹和周向压力脉动特性。进水压力对系统的稳定性影响不大，转速对系统的稳定性影响较大，不同轴承半径间隙有利于系统稳定的转速不同。5）针对海水淡化高压泵实际运行工况，针对不同半径间隙、进水压力、转速下和不同长径比进行了数值模拟和试验测量。研究结果表明，转速对系统的稳定性影响较大，半径间隙为0.1mm、进水压力为0.2MPa时系统较稳定。推荐一般情况水润滑轴承长径比取值0.8-1.0可以确保水润滑轴承稳定运行，可作为水润滑轴承运行状态的判定准则。共发表论文13篇，其中SCI收录2篇、EI收录3篇；授权发明专利3件；制定行业标准2项，登记软件著作权3件；获省部级科技进步二等奖2项；培养研究生7名。圆满完成了各项任务。

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