特种高端离心泵设计理论与关键技术研究及工程应用

特种高端离心泵设计理论与关键技术研究及工程应用项目简介本项目属于流体机械（泵）技术领域。离心泵是海水淡化、石油化工流程的核心流体输送装备，其耗电量约占全国总发电量的20％。目前我国常规离心泵产品已实现产业化，然而在高温（850℃）、低温（-196℃）、高压等极端工况使用的特种离心泵产品在设计方法、可靠性等方面与国外相比仍存在较大差距，涉及海水淡化高压泵、高温光热发电熔盐泵、LNG深冷潜液泵等高端离心泵产品仍属于“卡脖子技术”。项目组在“十一五”、“十二五”国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助下，长期坚持自主科技创新，产学研用多方协作，服务国家海水淡化、绿色能源发展等国家战略工程和国民经济建设，从离心泵高低温介质内流数值方法的基础研究出发，攻克极端工况水力设计、转子系统可靠性等关键技术难题，自主创建了水力优化设计和强度校核软件平台，实现了特种高端离心泵的国产化和工程应用。主要科技创新如下：①提出了考虑热效应的空化模型，突破了热敏低温流体汽化潜热引起的饱和蒸汽压变化及湍动能引起的空化预测难题，为低温热敏介质离心泵设计提供了理论基础；建立了离心泵目标函数与设计变量之间的径向基神经网络模型，形成了特种离心泵多学科优化平台，大幅提高了离心泵的水力性能和诱导轮空化性能。②发明了叶轮自身平衡轴向力的多级离心泵结构，创新研制了中间接管和出液管分离的双管结构、新型重载轴承结构和润滑冷却系统，解决了多级叶轮水力自动平衡、泵体和接管受热膨胀不均开裂、流体激振诱导转子系统偏心不稳定运行等一系列难题。③提出了水力部件高、低温工况配合间隙的准确计算方法，研究了各零部件之间最佳配合方式，解决了导流壳和叶轮、轴和轴承受热膨胀、冷收缩不均引起的抱死故障，大幅提高了高温熔盐泵和低温潜液泵的运行可靠性及使用寿命。④研制了多种结构形式的高温熔盐泵，自主掌握了400～850℃范围高温机组关键技术，应用于中科院第四代核能MSR熔盐堆实验项目、青海德令哈50MW太阳能光热发电示范项目；研制了国内首套国产化400℃高温纯镍熔融碱泵、750℃海绵钛高温熔渣泵，在新疆天业、山东滨化、攀钢钛业等单位成功应用。研制了SLP、DWQY等系列低温潜液泵产品，解决了LNG潜液泵机组系列化和大型化关键技术难题，替代了进口产品；研制了系列高效海水淡化高压泵产品，成功应用于浙江舟山、大唐黄岛海水淡化工程示范工程，经鉴定，高压泵效率指标超过国外同类产品。本项目授权国家发明专利22件，登记软件著作权4项，发表学术论文60篇，制订行业标准4部。通过建立极端工况特种离心泵的基础理论方法，突破极端工况特种离心泵核心技术难题，实现了关键装备国产化，在引领我国特种高端离心泵技术进步和企业转型升级等方面发挥了重要作用。二、主要完成单位及创新推广贡献1.江苏大学：项目牵头单位，负责特种高端离心泵系列产品设计理论、内流测试平台建立、数值模拟和高效水力模型及可靠性研发。2.山东双轮股份有限公司：产学研合作单位，负责海水淡化高压泵及增压泵的试制和工程应用。3.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，产学研合作单位，负责海水淡化高压泵及能量回收装置系统集成和工程应用。4.北京理工大学：产学研合作单位，负责低温空化数值模拟和可视化实验研究。5.江苏飞跃机泵集团有限公司：产学研合作单位，负责研制了400～850℃范围高温机组高温熔盐泵、高温纯镍熔融碱泵、高温熔渣泵产品等产品研制和推广应用。6.湖州三井低温设备有限公司：产学研合作单位，负责研制了SLP、DWQY等系列低温潜液泵产品和工程应用。7.新界泵业集团股份有限公司：产学研合作单位，负责高压多级泵的研发和产业化。三、推广应用情况高温熔盐泵在中科院第四代核能MSR熔盐堆实验项目应用；国内首套国产化400℃高温纯镍熔融碱泵在新疆天业、山东滨化、内蒙古原龙化工等粒碱装置上应用良好；海绵钛750℃高温熔渣泵产品在攀钢钛业、云南新立等单位应用；太阳能光热发电750℃高温熔盐泵产品在青海德令哈50MW工程项目示范应用。SLP、DWQY等系列低温潜液泵产品，替代了进口产品，在中海油黄石交通新能源公司、胜利油田天源储气有限公司、三门峡民生液化气公司、华润燃气等全国100多个工程项目广泛应用。研制的系列高效海水淡化高压泵产品，在浙江六横万吨级海水淡化工程示范应用。本项目成果取得了显著的经济和社会效益，促进了我国海水淡化、石油化工等领域特种高端离心泵产品的国产化和技术进步。四、主要知识产权证明目录序号知识产权类别知识产权具体名称国家授权号权利人发明人发明专利水润滑轴承试验台中国ZL201410040371.2江苏大学胡敬宁、叶晓琰、张德胜、施卫东发明专利一种具有径向力平衡盘的单流道泵叶轮中国ZL201610047592.1江苏大学谭林伟,施卫东,张德胜,张启华,黄俊,赵睿杰发明专利反渗透海水淡化增压泵中国ZL201510602018.3山东双轮股份有限公司、江苏大学王家斌、袁寿其、姚洪谦、叶晓琰、胡敬宁、李彩红、薛艳萍、李秀鹏发明专利反渗透海水淡化多级高压泵中国ZL201510601983.9山东双轮股份有限公司、江苏大学王家斌、袁寿其、姚洪谦、叶晓琰、胡敬宁、李彩红、薛艳萍、李秀鹏发明专利一种反渗透海水淡化能量回收装置性能测试系统及方法中国ZL201410314915.X国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所王生辉、闫玉莲、赵河立、王晓玲、陈梵、邵天宝发明专利反渗透海水淡化自增压能量回收高压泵中国ZL201210038542.9国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究究所王生辉、苏慧超、冯厚军、初喜章、邵天宝、张乾发明专利带限位导向的多级泵中国ZL201310635723.4山东双轮股份有限公司孟凡玉、王家斌发明专利一种研究空化传热特性的试验装置中国ZL201610495446.5北京理工大学黄彪、陈泰然、王国玉、张敏弟、刘影、高德明发明专利一种适用于低温介质的双作用活塞泵中国ZL201610844700.8湖州三井低温设备有限公司汪国洪、吴波发明专利一种多叶片式无堵塞泵叶轮设计方法中国ZL201410211176.1江苏大学高雄发，施卫东，张德胜，张启华，程成五、主要完成人情况表张德胜，排名第1，研究员、博导，江苏大学，项目总负责，负责项目实施和水力设计平台开发等。叶晓琰，排名第2，研究员、博导，江苏大学，负责海水淡化高压泵和增压泵。赵睿杰，排名第3，副研究员，江苏大学，负责空化模型改进和数值模拟、LNG低温泵有限元分析等研究。裴吉，排名第4，副研究员，江苏大学，负责海水淡化高压泵水力模型优化和转子动力学分析。黄彪，排名第5，研究员、博导，北京理工大学，负责建立低温空化流数值模拟方法和流场数值计算。王生辉，排名第6，教授级高工，自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，负责海水淡化高压泵和能量回收装置系统集成和示范应用。彭光杰，排名第7，副研究员，江苏大学，负责海水淡化高压泵优化设计和产品开发。高雄发，排名第8，助理研究员，江苏大学，负责LNG泵数值模拟和试验研究。胡敬宁，排名第9，教授级高工，江苏大学，负责海水淡化高压泵结构设计、可靠性分析。王家斌，排名第10，教授级研究员，山东双轮股份有限公司，负责海水淡化高压泵研制，制订行业标准，并推广应用。金永鑫，排名第11，博士生，江苏大学，负责高温熔盐泵设计方法和结构可靠性研究。王道红，排名第12，高级工程师，江苏飞跃机泵