基于結(jié)構(gòu)分析的升壓油泵優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊林建，朱英，趙發(fā)賢

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽618000;2.東方汽輪機(jī)集團(tuán)公司，四川德陽618000)

主油泵是汽輪機(jī)組供油系統(tǒng)中重要設(shè)備之一，作為供油系統(tǒng)的動力源，其性能對于汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行有決定性的影響。隨著汽輪機(jī)組單機(jī)組容量的不斷增加，對汽輪機(jī)組油系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性的要求也不斷提高，同時對主油泵的設(shè)計(jì)提出了更大的挑戰(zhàn)。隨著汽輪機(jī)組朝巨型化方向迅速發(fā)展，不僅要求主油泵具有大流量，而且要求在較寬的運(yùn)行工況范圍內(nèi)具有高效率、高穩(wěn)定性和高可靠性。油泵系統(tǒng)作為火電和核電機(jī)組重要的組成部分之一，從國內(nèi)外發(fā)展趨勢看，大功率汽輪機(jī)的機(jī)組大都采用“主油泵和油渦輪升壓泵供油系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)和制造方式，而目前在國內(nèi)該類油系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要從國外進(jìn)口或引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)。作者主要針對600 MW級機(jī)型的升壓油泵的系列關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

升壓油泵性能對汽輪發(fā)電機(jī)組油系統(tǒng)的性能有決定性影響。大型汽輪機(jī)組油系統(tǒng)對升壓泵性能提出了非常嚴(yán)格的要求，不僅要求泵具有較高的效率和優(yōu)良的空化性能，而且要求具有平坦的性能曲線和良好的變工況穩(wěn)定性。升壓油泵的流體動力學(xué)設(shè)計(jì)是其核心技術(shù)。

1 過流部件型面分析與造型

依據(jù)主油泵流道設(shè)計(jì)方案，采用Unigraphics軟件對過流部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何造型和優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用該方案可以檢查流道設(shè)計(jì)表面光順性能，葉輪三維模型結(jié)構(gòu)見圖1，葉輪計(jì)算區(qū)域設(shè)計(jì)模型見圖2。

圖1 葉輪三維模型結(jié)構(gòu)并去掉一蓋板

圖2 葉輪計(jì)算區(qū)域設(shè)計(jì)模型

在建立葉輪和蝸殼內(nèi)壁表面三維模型后，在GIMBIT 中分別將其流動區(qū)域設(shè)為空間體，對葉輪和蝸殼內(nèi)壁表面進(jìn)行有限元分析。

2 流道設(shè)計(jì)

經(jīng)過計(jì)算和分析，油泵壓力分別選擇為:升壓油泵入口壓力為0，升壓油泵出口壓力為0.25 MPa，額定流量為5 800 L/min;額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，該泵采用單級雙吸泵，按設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算其比轉(zhuǎn)速大約為140 r/min，屬于高比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵。流道幾何參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 升壓油泵幾何參數(shù)

升壓油泵流道設(shè)計(jì)包括葉輪、吸入室和蝸殼流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)。吸入室為直錐管結(jié)構(gòu)。葉輪包括軸面流道和葉片繪形設(shè)計(jì)，依據(jù)幾何參數(shù)，采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)軟件在各流面上繪形后組合成三元扭曲葉片。依據(jù)蝸殼設(shè)計(jì)的幾何參數(shù)，采用設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)出蝸殼流道單線圖。

2.1 葉輪的三維幾何造型

三維幾何造型是進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，葉輪類零部件的幾何造型必須采用曲面造型技術(shù)。升壓油泵的葉輪為高比轉(zhuǎn)數(shù)離心三元葉輪，其葉片在空間上扭曲度大。在葉輪三維幾何造型時，應(yīng)該注意到葉片曲面的準(zhǔn)確性和光滑性問題。葉片和葉輪三維造型見圖3、4。

圖3 葉片三維造型

圖4 葉輪結(jié)構(gòu)圖

2.2 計(jì)算區(qū)域的有限體積網(wǎng)格化

因升壓油泵放置在油箱中，油泵的計(jì)算區(qū)域以泵進(jìn)口斷面作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。油泵進(jìn)口斷面的壓力選取為0。升壓油泵葉輪的旋轉(zhuǎn)軸定義為z軸，雙吸葉輪中心對稱面取為z=0 平面。升壓油泵整體流道設(shè)計(jì)見圖5。

圖5 600 MW 升壓油泵整體流道

圖6 蝸殼的計(jì)算區(qū)域

在完成葉輪和蝸殼內(nèi)壁表面三維造型的基礎(chǔ)上，在GIMBIT 中分別將其流動區(qū)域作成空間的體，葉輪和蝸殼內(nèi)壁表面選擇為計(jì)算區(qū)域的固體表面。蝸殼的計(jì)算區(qū)域見圖6。

2.3 流場數(shù)值模擬工況

基于前面的流場數(shù)值模擬分析計(jì)算，可以計(jì)算出油泵的相關(guān)性能參數(shù)。根據(jù)各計(jì)算工況的給定流量和進(jìn)口壓力，計(jì)算出油泵的進(jìn)出口壓力差、作用在葉輪上的壓力矩、流體摩擦力矩，從而預(yù)測油泵需要輸入的軸功率及流體動力學(xué)效率等。流體動力學(xué)效率(不包括機(jī)械損失、容積損失)的計(jì)算方法:

式中:ηh為流體動力學(xué)效率;Δp為油泵的進(jìn)出口壓力差;Q為流量;Mz為流體作用在葉輪固體壁面上力產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸的力矩;ω為葉輪繞旋角速度。

為研究流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便更好掌握600 MW機(jī)組升壓油泵內(nèi)部流場狀況。并與日立公司提供的試驗(yàn)結(jié)果對比，以驗(yàn)證性能預(yù)測的準(zhǔn)確性，其數(shù)值模擬工況與試驗(yàn)工況一致，具體工況見表2。

表2 數(shù)值模擬工況

2.4 流場分布

通過流場數(shù)值模擬，可以得到油泵內(nèi)部流場的靜壓、動壓、流速大小及各分量矢量分布、流動跡線及流體作用在油泵固體壁面上的壓力分布等。

為了節(jié)省篇幅，僅給出Q=5 729 L/min、n=1 568 r/min 流場工況的分布，其他流場工況的分布省略。各文件夾按流量命名，圖片為該流量工況下數(shù)值模擬計(jì)算后取得的壓力、速度矢量、流動跡線分布。后面的性能預(yù)測計(jì)算是以這些數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)。壓力分布、速度矢量分布、總壓力分布及軌跡分布分別見圖7—12。

圖7 葉片靜壓分布

圖8 油泵葉輪壁面上的靜壓分布

圖9 渦殼壁面上的靜壓分布

圖10 泵截面的速度矢量分布

圖11 油泵某截面的總壓分布

圖12 油泵某截面的跡線分布

3 結(jié)論

對600 MW機(jī)組的升壓泵進(jìn)行研究，采用目前該領(lǐng)域的先進(jìn)研究手段和技術(shù)，解決該類設(shè)備研制過程中所涉及的重要共性問題。

研究的大型機(jī)組能實(shí)現(xiàn)單機(jī)容量600 MW機(jī)組及其配套產(chǎn)品的大部分部件國產(chǎn)化設(shè)計(jì)和制造。設(shè)計(jì)的“主油泵供油系統(tǒng)”的系統(tǒng)效率經(jīng)過計(jì)算和驗(yàn)證大于49%，大大高于傳統(tǒng)的“主油泵與射油器組成的供油系統(tǒng)”的效率。

設(shè)計(jì)和優(yōu)化的升壓泵可用于超臨界參數(shù)及常規(guī)的600 MW級的發(fā)電機(jī)型，可替代國外進(jìn)口的部分產(chǎn)品，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

目前，600 MW級機(jī)型仍為國內(nèi)主要發(fā)電機(jī)型，該研究對國內(nèi)發(fā)電設(shè)備制造技術(shù)和能源工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展有重要的參考意義和一定的應(yīng)用價值。

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