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基于性能預(yù)測的離心泵改型及優(yōu)化設(shè)計(jì)
1、前言
目前,國內(nèi)外現(xiàn)在對(duì)大型火電和核電站廣泛采用“主油泵、油渦輪與升壓泵”組成其供油系統(tǒng),主油泵的升壓比高達(dá)15～18倍,流量達(dá)到5500～9500L/min,“p-Q”特性曲線平坦。而對(duì)于這類離心泵,若采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法將存在以下的主要問題:(1)效率偏低;(2)“揚(yáng)程-流量”特性曲線易出現(xiàn)駝峰,造成運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定現(xiàn)象;(3)軸功率曲線隨流量增加而迅速增加,在大流量區(qū)域運(yùn)行易產(chǎn)生過載等。并且傳統(tǒng)開發(fā)過程以模型試驗(yàn)為主,不僅成本高和周期長,而且對(duì)解決這類離心泵的流體動(dòng)力性能優(yōu)化并不十分有效。因此,基于性能預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法廣泛地使用在這類低比轉(zhuǎn)速雙吸離心泵的研發(fā)過程中,以解決目前設(shè)計(jì)中存在的問題。
本文根據(jù)某660MW大型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)油系統(tǒng)的參數(shù)要求,在盡量保證其鑄件和結(jié)構(gòu)改變量小的前提下,并能滿足新油系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)要求的約束條件下采用加大流量設(shè)計(jì)法對(duì)原600MW汽輪機(jī)組配套的主油泵進(jìn)行流道改型設(shè)計(jì),利用CFD技術(shù)對(duì)改型設(shè)計(jì)進(jìn)行性能預(yù)測,并對(duì)預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)一步完善改型設(shè)計(jì),達(dá)到了大型汽輪發(fā)電機(jī)組的主油泵改型及優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

2、主油泵改型前后的參數(shù)與要求
2.1主油泵改型前的參數(shù)
2.2、主油泵改型后的要求
設(shè)計(jì)流量Q=6300L/min,進(jìn)出口壓力差p=1.30MPa,效率η≥72%,轉(zhuǎn)速保持不變,輸送液體的密度和粘度不變,改型后的主油泵“p-Q”特性曲線平坦。并且在不改變原主油泵外形尺寸的基礎(chǔ)上,盡量保證原有的鑄件能在新油泵中使用。

3、改型設(shè)計(jì)
通過對(duì)600MW機(jī)組配套的主油泵進(jìn)行現(xiàn)場測試、理論分析和多工況性能預(yù)測的基礎(chǔ)上,采用加大流量設(shè)計(jì)法對(duì)給定的設(shè)計(jì)流量和比速進(jìn)行放大,用放大了的流量和比速來設(shè)計(jì)一臺(tái)較大的泵,使其*高效率和設(shè)計(jì)點(diǎn)效率提高,從而使整個(gè)范圍內(nèi)的平均效率得到提高。同時(shí)改變?nèi)~輪和泵體完成主油泵流道的改型設(shè)計(jì),使其滿足在原設(shè)計(jì)工況流量增大15%左右的條件下,泵在大流量范圍內(nèi)的進(jìn)出口壓力差適當(dāng)有所上升,原“p—Q”曲線向右移的要求。

3.1、改變?nèi)~輪參數(shù)
要實(shí)現(xiàn)高效點(diǎn)向大流量偏移,需使改型設(shè)計(jì)的泵特性曲線變得平坦。其主要方法有:(1)增大葉輪出口寬度;(2)增大葉輪出口安放角;(3)增大葉輪出口排擠系數(shù)等。同時(shí),為了保證改型設(shè)計(jì)的泵在大流量范圍內(nèi)的進(jìn)出口壓力差適當(dāng)有所上升,葉輪出口直徑必須加大。

3.2、改變泵體參數(shù)
要使泵體與改型后的葉輪匹配,泵體參數(shù)如壓水室的進(jìn)口寬度、基圓直徑、泵體喉部面積等相應(yīng)地應(yīng)發(fā)生變化,以滿足原設(shè)計(jì)工況流量增大15%后的流動(dòng)要求。

3.3、改型設(shè)計(jì)結(jié)果
通過改變?nèi)~輪與泵體的相應(yīng)參數(shù),采用多工況的數(shù)值模擬和性能預(yù)測的方法,經(jīng)過多方案的比較,*終確定增大葉輪的出口直徑、出口寬度、葉片出口角、擴(kuò)大泵腔以及改變蝸殼型腔的方案,完成改型設(shè)計(jì)。
4、數(shù)值模擬
4.1、幾何模型建立及網(wǎng)格劃分
利用三維建模軟件UG進(jìn)行全流道三維建模,并在Fluent軟件的前處理模塊Gambit中,采用非結(jié)構(gòu)化的4面體網(wǎng)格,完成計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,為保證流動(dòng)計(jì)算的連續(xù)性,對(duì)不同的過流部件采用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格連接。
4.2、數(shù)值模擬
數(shù)值模擬中計(jì)算模型選擇RNGk-ε湍流模型,采用壓力———速度校正方法,即SIMPLE算法,求解三維定常雷諾時(shí)均N-S方程。計(jì)算時(shí),進(jìn)口按設(shè)計(jì)流速給定;出口按流動(dòng)充分發(fā)展條件給定,即所有變量的擴(kuò)散通量都為0;在固體邊壁取無滑移邊界條件,采用壁面函數(shù)法對(duì)近壁區(qū)流動(dòng)進(jìn)行處理。
5、計(jì)算結(jié)果及分析
在相同轉(zhuǎn)速n=3000r/min下,分別對(duì)Q=5000、5500、5700、6300、6600和7000L/min的6個(gè)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了各個(gè)工況下泵的內(nèi)流場分布及性能預(yù)測結(jié)果。
5.1、速壓分布
壓力沿流道從進(jìn)口到出口迅速提高,在葉片背面靠近進(jìn)口處存在一小塊低壓區(qū),這是因?yàn)榱黧w繞流葉片頭部時(shí)流體加速與流速轉(zhuǎn)彎,造成局部損失,并且流體動(dòng)能與壓能的相互轉(zhuǎn)化致使該區(qū)域壓力下降,成為汽蝕易發(fā)生部位,這也與主油泵實(shí)際運(yùn)行時(shí)易發(fā)生汽蝕的位置相吻合。蝸殼中壓力變化均勻,能量轉(zhuǎn)化變化明顯,蝸殼隔舌處不存在壓力集中區(qū)域,蝸殼出口壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
流體在進(jìn)口處流速較低,流速從葉輪進(jìn)口到出口逐漸增大,但進(jìn)入蝸殼后,又呈下降趨勢,流速沿著蝸殼呈遞減狀態(tài)。這不僅符合實(shí)際情況也與蝸殼設(shè)計(jì)的功能原理相一致。蝸殼隔舌處的速度分布均勻,在蝸殼出口有明顯的回流,這也與實(shí)際情況相符合。總的來看整個(gè)流道的速度分布良好,有利于蝸殼中能量的轉(zhuǎn)換。

5.2、性能分析
6、結(jié)論
(1)采用加大流量設(shè)計(jì)法對(duì)主油泵的流道進(jìn)行改型優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明,采用該方法能設(shè)計(jì)出滿足工作參數(shù)和性能要求的主油泵,該方法合理可行,對(duì)低比速離心泵的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義;
(2)根據(jù)主油泵的工作參數(shù)和性能要求,運(yùn)用多工況的全流道三維粘性流場數(shù)值模擬為基礎(chǔ)進(jìn)行性能預(yù)測的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,能有效地控制流道的幾何形狀和參數(shù),從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該設(shè)計(jì)方法能高效、經(jīng)濟(jì)地解決離心泵的流體動(dòng)力設(shè)計(jì)問題,這對(duì)實(shí)際工程具有重要意義,并能進(jìn)一步推廣運(yùn)用到類似葉片泵的改型及優(yōu)化設(shè)計(jì)中。