面向反渗透海水淡化的潮流能直驱双向海水径向柱塞泵关键基础技术研究

Based on the previous studies, the key basic technologies of bidirectional seawater radial piston pump, such as the mechanical characteristics of the friction pair with micro contact surface (including the water film thickness,the pressure, flow, temperature and stess field distribution between the friction pairs, the thin film lubrication and bearing characteristics, the effects of the counter-face materials, the surface quality, the relative velocity and the geometric shape), the hydraulic characteristics of the shaft flow distribution (including the flow, cavitaion and drag torque characteristics of the radial distribution port, the leakage and pressure distribution of sealing surface) and the dynamic performance of the seawater radial piston pump (including the dynamic characteristics of the outer case and piston, the flow, pressure and teperature field distribution inside the pump), are investigated thoroughly by theoretical, numerical and experimental methods. Under seawater lubricated condition, the thin film lubrication and bearing theory are generalized and the design theory and method of the friction pair with micro contact surface, the shaft flow distribution and the seawater radial piston pump are put forward. Based on the research above, a prototype of the bidirectional seawater radial piston pump is developed. The research provides fundamental basis for the self-independent innovation and industrialization of the key energy conversion devices for the tidal-powered RO desalination and generation systems, and has profound strategic significance to alleviate a series of problems, such as the shortage of fresh water, the crisis of energy, the problem of pollution and etc.,in the coastal and island regions of our motherland.

在已有研究基础上，本项目将通过理论、仿真和实验相结合的方法，对动外壳式双向海水径向柱塞泵的关键基础技术问题，如微型面接触摩擦副力学特性（包括摩擦副间水膜厚度、压力场、流场、温度场及应力场分布规律，薄膜润滑及承载特性，配对材料、表面质量、相对运动速度及结构尺寸的影响）、轴配流副水力学特性（包括周向配流口流量、气蚀及阻力矩特性，密封区泄漏及压力变化规律）、双向海水径向柱塞泵动力学特性（包括外壳及柱塞动力学特性，泵内压力场、流场及温度场）等进行深入研究，建立海水润滑条件下薄膜润滑及承载理论，提出微型面接触摩擦副、轴配流副及海水径向柱塞泵的设计理论和方法。在上述研究基础上，研制出动外壳式双向海水径向柱塞泵样机，为直接以潮流能为动力的反渗透海水淡化系统、发电系统等关键能量转换设备的自主创新及产业化奠定基础，对缓解我国沿海及岛屿等地区的淡水资源短缺、能源紧张、环境污染等系列重大问题。

为解决常规能源缺乏或无电的沿海城市及岛屿地区的淡水资源短缺的问题，本项目拟利用清洁的可再生的海洋能源进行海水淡化，提出了将潮流能直接转换为压力能，进行海水淡化的关键能量转换设备——动外壳式双向海水径向柱塞泵方案。并通过学科交叉，采用理论、仿真及实验研究相结合方法，对，对研究中的关键技术问题进行了系统深入研究：.（1）在不同形状外壳曲面条件下，进行了柱塞副的运动特性、压力场、流场的仿真和试验，以及水膜厚度对流场影响的仿真研究；搭建了微型面接触摩擦副特性试验平台，进行了摩擦副配对试验，筛选出了海水润滑条件下，球头和外壳的最佳配对材料组合，并总结归纳出海水润滑条件下薄膜润滑及承载理论。.（2）建立了轴配流副物理模型，对其水力学特性进行了大量仿真研究，搭建了海水轴配流副特性试验平台，制作了耐蚀合金等材料的轴配流副试件，进行了轴配流副水力学特性试验研究。在仿真与试验的基础上，得出了轴配流副的流量、阻力矩、气蚀及压力变化规律，总结归纳出了轴配流副的设计理论和方法。.（3）研制出动外壳式双向海水径向柱塞泵样机，转速范围为25-75 rpm，排量为200ml/r，容积效率为80%以上，最高工作压力为8.5MPa，进行了不同工作压力的液体弹簧复位性能研究，并总结了海水径向柱塞泵的设计理论和方法。.发表科研论文17篇（SCI/EI检索7篇），授权专利12项（其中发明专利8项）；通过本课题的研究，为直接以潮流能为动力的反渗透海水淡化系统、发电系统等关键能量转换设备的自主创新及产业化奠定基础，对缓解我国沿海及岛屿等地区的淡水资源短缺、能源紧张、环境污染等系列重大问题具有深远的战略意义。