（流體機械及工程專業(yè)論文）基于性能預測的低比轉速主油泵改型及優(yōu)化設計.pdfVIP

西華大學碩士學位論文 基于性能預測的低比轉速主油泵改型及優(yōu)化設計 流體機械及工程專業(yè) 研究生邵國輝指導教師賴喜德教授 低比轉速離心泵廣泛用于發(fā)電廠 石油 化工 城市供水 農(nóng)業(yè)排灌等 行業(yè) 這類低比轉速離心泵普遍存在著效率低 運行穩(wěn)定性差 在大流量區(qū) 域易產(chǎn)生過載等問題 在火電廠和核電廠供油系統(tǒng)中主油泵是典型的低比轉 速雙吸離心泵 主油泵作為汽輪機組供油系統(tǒng)的動力源和核心設備 其性能 對汽輪機組的安全運行有非常大的影響 隨著汽輪機組單機容量的不斷增加 和結構尺寸的巨型化 對汽輪機組的油系統(tǒng)的適應性和可靠性要求越來越 高 也相應地對主油泵的設計提出了更大的挑戰(zhàn) 為了滿足大型汽輪機機組油系統(tǒng)需要 這類主油泵工作參數(shù)不僅要求升 壓比高達1 5 2 0 倍 而且要求流量大和對變工況的適應性強 不僅要求主 油泵具有較高的流體動力效率 性能曲線較為平坦 而且具有較好的空化性 能 為達到工作參數(shù)要求 一般必須采用超低比轉速 常低于4 0 的單級雙 吸離心泵 其工作參數(shù)要求和高性能參數(shù)要求往往產(chǎn)生矛盾 如何合理解決 和協(xié)調(diào)是這類泵流體動力設計中的關鍵問題 傳統(tǒng)以模型試驗為主的研究開 發(fā)方式已很難滿足這些要求 非常有必要探索基于性能預測的優(yōu)化設計方法 來解決這類低比轉速雙吸油泵研究開發(fā) 另外一方面 由于大量已在運行的 低比轉速離心泵普遍存在著效率低等問題 如一些3 0 0 m w 及以下機組配套 的主油泵現(xiàn)在也極需要進行改造和改型設計 為了解決改型設計問題并降低 改造成本 采用基于性能預測的改型設計方法是有效的途徑之一 本文根據(jù)工程實際需要 以提高效率和運行穩(wěn)定性為優(yōu)化目標 研究適 西華大學碩士學位論文 合低比轉速雙吸離心泵的優(yōu)化設計方法 結合國內(nèi)某3 0 0 m w 汽輪發(fā)電機組 油系統(tǒng)的主油泵改型設計要求來探索基于性能預測的低比轉速雙吸離心泵 流體動力優(yōu)化設計方法 首先對3 0 0 m w 機組的主油泵進行全流道三維流場 數(shù)值模擬和性能預測驗證 分析其存在的問題 再對引進的6 0 0 m w 汽輪發(fā) 電機組配套的主油泵的進行數(shù)值模擬分析 研究分析其流道設計思想 并以 該主油泵的葉輪流道形狀作為參考 根據(jù)3 0 0 m w 機組的主油泵的工作參數(shù) 要求制定初步的改型設計的方案 然后 通過 數(shù)值模擬試驗 修改設計 流道幾何參數(shù)和形狀 的多次循環(huán) 直至獲得滿足工作參數(shù)和性能的流道 而最終實現(xiàn)對其流道改型和優(yōu)化設計 將基于全流道數(shù)值模擬及性能預測方 法應用于雙吸主油泵過流部件的改型及優(yōu)化設計中 通過數(shù)值試驗取代高成 本的模型試驗 本文的方法己成功用于實際工程 解決了某3 0 0 m w 機組的 主油泵流道改型設計 不僅提高了流體動力性能 而且縮短研制周期和降低 開發(fā)成本 本文的課題同國內(nèi)大型汽輪機制造廠合作 將基于全流道數(shù)值模擬及性 能預測方法應用于雙吸主油泵過流部件的流體動力優(yōu)化設計 在設計過程中 考慮整個運行范圍內(nèi)如何提高這類低比速雙吸主油泵的效率和運行的穩(wěn)定 性 并已將研究成果用于大型汽輪機組配套的主油泵國產(chǎn)化和國內(nèi)自主創(chuàng)新 研究開發(fā)中 無論對我國發(fā)電設備制造業(yè)的自主創(chuàng)新 還是對這類離心泵的 設計理論和方法的發(fā)展都有重要意義 關鍵詞 主油泵 低比轉速 數(shù)值模擬 改型設計 優(yōu)化設計 性能 預測 c f d i i r e t r o f i ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g n o fl o ws p e c i f i cs p e e d m a i no i lp u m pb a s e d o np e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e s h a og u o h u i s u p e r v i s o r p r o f l a ix i d e l o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p sa r ew i d e l yu s e di nt h ep o w e r p l 觚t p e t r 0 i e u mi n d u s t r y c h e m i c a li n d u s t r y u r b a nw a t e rs u p p l y a g r i c u l t u r a ll r r i g a t i o n 飄dd r a i n a g e e r e al o to fp r o b l e m s s u c h a sl o w e ri ne f f i c i e i l c y w o r s em o p e r 礎l gs t a b i l i t y a n do v e r l o a de a s i l y a tc o n d i t i o n so fl 鶘e rn o wr a t e w e r e e x i s t e di nt h i sk i n do fp 啪pg e n e r a l l y t h em a i no i lp u m p f o rt h eo i ls u p p l y s v s t e mo ft h 鋤a 1p o w e rp l a n ta n dn u c l e a rp o w e rp l a n ti st y p i c a ld o u b l e s u c t l o n c e n t r i f u g a lp 啪pw i t hl o ws p e c i f i c s p e e d a s t h ep o w e rs o u r c e a n dk e y e q u i p m 鋤to f a i lo i ls u p p l ys y s t e mo fs t e a m t u r b i n eu n i t 血ep e r 內(nèi)r m a n c eo m a l n o i lp u m p h a sv e r yg r e a ti n f l u e n c eo ns a f eo p e r a t i o no ft h es t e 鋤們r b l 鵬哪 w i mm ei n c r e a s i n gu n c a p a c i t y a n ds i z ei ns t r u c t u r eo ft h e t u r b l n e t h e r c l i a b i l i t ya n ds a f e t yo f t h es t e a mt u r b i n ea r er e q u i r e dt ob ea c c o r d i n g ym p r o v e d i nt h eo i ls u p p l ys y s 鋤 s ot h a ti tb r i n gf o r w a r dm o r e c h a l l e n g e si nt h ed e s l g no f m a i no i lp u m p h l0 r d e rt om e e tt h en e e d so fo i ls y s t e mo fl a r g es c a l es t e a m t u r b l n e t h e w o r k i n gp a r a m e t e ro fm a i no i lp u m pd e m a n d sn o to n l yt h e o u i e tp r e s s l l r e1 s l5 2 0 m e sh i 曲e rt h a nt ot h ei n l e tp r e s s u r e b u ta l s od e m a n d s l a r g e ri 1 0 wa n d b e t t e ra d a p t a b i l i t yi nv a r i a b l eo p e a r t i n gc o n d i t i o n s n o tm e r e l y r e q m r e t h em a l n i i i 西華大學碩士學位論文 o i lp u m pt oh a v e h i g h e r h y d r a u l i ce f f i c i e n c y t h e c h a r a c t e r i s t i cc u r v ei s c o m p a r a t i v e l ys m o o t h a n dh a v e b e t t e rc a v i t a t i o np e r f o r m a n c e i no r d e rt om e e t r e q u i r e m e n t so fa no i ls u p p l ys y s t e mo fs t e a mt u r b i n eu n i t m a i no i lp u m p g e n e r a l l ya d o p tt h es i n g l es t a g ed o u b l es u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m p w i t hs u p e r l o w s p e c i f i cs p e e d o f t e nl o w e rt h a n4 0 t h e r eo f t e nh a st h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n i t sw o r k i n gp a r a m e t e r sa n dt h eh i g h p e r f o r m a n c ep a r a m e t e rr e q u i r e m e n t s o h o wt or a t i o n a l l ys o l v ea n dc o o r d i n a t eb e c o m eak e yp r o b l e mi nt h eh y d r a u l i c d e s i g nf o rt h i sk i n do fp u m p t h et r a d i t i o n a lr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta p p r o a c h w h i c hm a i n l yr e l y i n go nm o d e lt e s ti sv e r yd i f f i c u l tt om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt oe x p l o r et h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e do ns oi t i s v e r yn e c e s s a r y t o e x p l o r e t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g n m e t h o db a s e do n p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nt os o l v et h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h i sk i n do f l o ws p e c i f i cs p e e dd o u b l es u c t i o no i lp u m p o nt h eo t h e rh a n d b e c a u s eal a r g e n u m b e ro fl o ws p e c i f i cs p e e dc e n t r i f u g a lp u m p st h a ta r ei ns e r v i c eg e n e r a l l y h a v el o we f f i c i e n c yp r o b l e m s s u c ha sm a i no i lp u m p sf o rs o m e3 0 0 m wa n dt h e b e l o w ss t e a mt u r b i n eu n i t sn e e dt oc a r r yo nr e t r o f i td e s i g n i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fr e t r o f i td e s i g na n dl o w e rc o s t i t i so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y sb y m e t h o do fr e t r o f i td e s i g nb a s e do np e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o df o ral o ws p e c i f i cs p e e dd o u b l es u c t i o n c e n t r i f u g a lp u m ph a sb e e ns t u d i e df o ri m p r o v i n ge f f i c i e n c y a n do p e r a t i o n s t a b i l i t ya s t h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v eb a s e do nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g r e q u i r e m e n t s t a k e n t h er e t r o f i td e s i g nr e q u i r e m e n t so fm a i no i lp u m pf o r d o m e s t i c3 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i ta sae x a m p l e t h eh y d r a u l i eo p t i m i z a t i o n d e s i g na p p r o a c ho f l o ws p e c i f i cs p e e dd o u b l es u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m pb a s e do n p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o ni se x p l o r e di nt h i st h e s i s a tf i r s t p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n a n dv e r i f i c a t i o nw i t h3 df l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n s i d et h ew h o l ef l o w p a s s a g eo fm a i n o i lp u m pf o r3 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i tw a sp e r f o r m e d t h e n e x i s t e dp r o b l e m si nt h ep u m ph a da n a l y s e d t h ei d e ao f f l o wp a s s e g er e d e s i g n i sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm a i no i lp u m pf o r i v 西華大學碩士學位論文 i m p o r t e d6 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i t t a k i n g i t si m p e l l e rv a n es h a p ea sa r e f e r e n c e t h ep r e l i m i n a r yp l a no fr e t r o f i td e s i g ni sm a d ea c c o r d i n gt ot h e w o r k i n gr e q u i r e m e n to f3 0 0 m wm a i no i lp u m pu n i t a n dt h e n m a n yl o o p c a l c u l a t i o n si sm a d eb e t w e e n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e s ta n dm o d i f y i n g g e o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dp a s s a g es h a p e u n t i lo b t a i nt h ep a s s a g et om e e tw i t h r e q u i r e m e n t so fw o r k i n gp a r a m e t e ra n dp e r f o r m a n c e f i n a l l yf i n i s ht h er e t r o f i t a n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fi t sp a s s a g e o nt h eb a s i so f3 一dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n o nt h ew h o l ef l o wp a s s a g e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt o r e t r o f i ta n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fd o u b l es u c t i o nm a i no i lp u m pf l o wp a s s a g e c o m p o n e n t s b yn u m e r i c a lt e s ts u b s t i t u t e df o rh i g h c o s tm o d e l t e s t i nt h i sp a p e r t h em e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e df o rp r a c t i c a le n g i n e e r i n gt os o l v et h e p a s s a g er e t r o f i td e s i g no fm a i no i lp u m p n o to n l yi m p r o v et h eh y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e b u ta l s os h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l ea n dr e d u c ed e v e l o p m e n t c o s t s t h es u b j e c to ft h i st h e s i sc o o p e r a t e dw i t hl a r g es t e a mt u r b i n em a n u f a c t u r e r o nt h eb a s i so f3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ew h o l ef l o wp a s s a g e p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt oh y d r o d y n a m i co p t i m i z a t i o n d e s i g no fd o u b l es u c t i o nm a i no i lp u m pf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t s h o wt o i m p r o v ee f f i c i e n c ya n do p e r a t i n gs t a b i l i t yo ft h ew h o l eo p e r a t i o nr a n g eo fl o w s p e c i f i cs p e e dd o u b l es u c t i o nm a i no i lp u m pi nt h ed e s i g np r o c e s sh a sb e e n c o n s i d e r e d a n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n th a sb e e na p p l i e do nt h el o c a l i z a t i o no f m a i no i lp u m pf o rl a r g es t e a mt u r b i n ea n dt h ed e v e l o p m e n to f d o m e s t i c i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n i ti sv e r ys i g n i f i c a n tn o to n l yf o ri n d e p e n d e n t i n n o v a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e re q u i p m e n tm a n u f a c t u r ei n d u s t r y b u ta l s of o r d e v e l o p m e n to fd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do f t h i sk i n dc e n t r i f u g a lp u m p k e yw o r d s m a i no i lp u m p l o ws p e c i f i cs p e e d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e t r o f i t d e s i g n o p t i m i z a t i o nd e s i g n p e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n c f d v 西華大學碩士學位論文 聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取 得的研究成果 除了文中特別加以標注和致謝的地方外 論文中不包括其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包括為獲得西華大學或其他教育機構 的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢 獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意 本學位論文成果是本人在西華大學讀書期間在導師指導下取得的 論文 成果歸西華大學所有 特此聲明 佟著簽名 召p 目潞 擗與只 淝 導師簽名 咕年r 其艫 西華大學碩士學位論文 1 1 課題的來源及名稱 1 1 1 課題來源 第一章緒論 本課題來源于四川省教育廳自然科學基金重點項目 0 7 z a l l 6 四川省 重點學科建設重點項目 s z d0 4 1 2 及企業(yè)委托 1 1 2 課題名稱 基于性能預測的低比轉速主油泵改型及優(yōu)化設計 1 2 課題研究的背景 目的及意義 1 2 1 課題研究的背景 低比轉速離心泵廣泛用于發(fā)電廠 石油 化工 城市供水 農(nóng)業(yè)排灌等 行業(yè) 在火電廠和核電廠供油系統(tǒng)中主油泵是典型的低比轉速雙吸離心泵 這類低比轉速離心泵普遍存在著效率低 運行穩(wěn)定性差等問題 如國內(nèi)生產(chǎn) 3 0 0 m w 機組配套的主油泵效率低于5 0 為了滿足大型汽輪機機組油系統(tǒng) 需要 這類主油泵工作參數(shù)不僅要求升壓比高達1 5 2 0 倍 而且要求流量 大和對變工況的適應性強 為達到工作參數(shù)要求 一般必須采用超低比轉速 常低于4 0 的單級雙吸離心泵 其工作參數(shù)要求和高性能參數(shù)要求往往產(chǎn) 生矛盾 如何合理解決和協(xié)調(diào)是這類泵流體動力設計中的關鍵問題 若采用 的傳統(tǒng)設計方法 則存在如下主要問題 l 1 效率非常低 如國內(nèi)3 0 0 m w 機組配套的主油泵效率低于5 0 揚程特性曲線易出現(xiàn)駝峰 造成運行不穩(wěn)定現(xiàn)象 軸功率隨流量增加而遺速增加 在大流量區(qū)域易產(chǎn)生過載等 西華大學碩士學位論文 傳統(tǒng)以模型試驗為主的研究方法 不僅成本高和周期長 而且對這類 高性能要求的離心泵并不有效 為保證機組的運行穩(wěn)定性和安全性 目前與國內(nèi)6 0 0 m w 及以上汽輪機 機組配套的主油泵的設計模型主要是從國外引進 油系統(tǒng)是火電和核電機組 的重要組成部分之一 是保證汽輪機組能夠正常運行的關鍵 隨著汽輪機組 單機組容量的增加 對汽輪機組的油系統(tǒng)的可靠性要求也不斷提高 主油泵 作為汽輪機組供油系統(tǒng)的核心部分和動力源 對于這類低比轉速離心泵的流 體動力設計提出了更高的要求 要求設計的主油泵具有高效率 良好的空化 性能 平坦的性能曲線及良好的變工況穩(wěn)定性 為了滿足這些要求 非常有 必要探索基于性能預測的優(yōu)化設計方法來解決這類低比轉速雙吸油泵研究 開發(fā) 另外一方面 由于大量已在運行的低比轉速離心泵普遍存在著效率低 等問題 如一些已運行的3 0 0 m w 及以下機組配套的主油泵現(xiàn)在也極需要進 行改造和改型設計 為了解決改型設計問題并降低改造成本 借鑒在水輪機 行業(yè)的成功經(jīng)驗 lj 采用基于性能預測的改型設計方法是有效的途徑之一 從國內(nèi)外的發(fā)展趨勢方面 低比轉速離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬 性能預測 及數(shù)字化設計技術等是當前和今后葉片式流體機械研究的重點方向之一 1 2 2 課題研究的目的 本課題結合國內(nèi)大型汽輪機組配套的主油泵研發(fā) 研究適合這類超低比 速大型雙吸泵的優(yōu)化設計方法 以提高效率和運行穩(wěn)定性為優(yōu)化目標 探索 出基于性能預測的低比轉速雙吸離心泵優(yōu)化設計方法 結合國內(nèi)汽輪機組配 套的主油泵自主開發(fā)需求及某3 0 0 m w 機組配套的主油泵改造 將基于全流 道數(shù)值模擬及性能預測方法應用于雙吸主油泵過流部件的改型及優(yōu)化設計 中 通過數(shù)值試驗取代高成本的模型試驗 通過本項目研究開發(fā)的優(yōu)化設計 方法來設計大型雙吸主油泵過流部件 采用數(shù)字化設計工具設計三元葉輪 提高這類低比速雙吸主油泵的效率 并改善運行的穩(wěn)定性 結合國內(nèi)東方汽 輪機有限公司的汽輪機組配套主油泵開發(fā) 將研究成果應用于實際工程 解 決配套的大型主油泵國產(chǎn)化和自主創(chuàng)新問題 作為設計理論與方法研究 其 研究成果可以進一步用于解決所有低比速雙吸泵過流部件優(yōu)化設計問題 2 西華大學碩士學位論文 1 2 3 課題研究的意義 如前所述 低比轉速雙吸離心泵廣泛用于發(fā)電廠 石油 化工 城市供 水 農(nóng)業(yè)排灌等行業(yè) 但是普遍存在效率低 運行穩(wěn)定性差 其耗能指標高 等問題 如國內(nèi)早期3 0 0 m w 機組配套的主油泵效率低于5 0 通過改造優(yōu) 化設計可以達7 2 以上 科學地開發(fā)能源和節(jié)約能源是我國的基本國策之 一 我國在限制小火電的同時 大力開發(fā)核電和巨型火電站 其汽輪機組配 套的主油泵性能要求也越來越高 主油泵作為火電廠和核電廠的汽輪機機組 供油系統(tǒng)的核心部分 目前與國內(nèi)6 0 0 m w 及以上汽輪機組配套的主油泵主 要是引進國外技術 對這類主油泵進行國產(chǎn)化的任務非常迫切 本課題同國 內(nèi)東方汽輪機廠合作 結合國內(nèi)大型汽輪機組配套的主油泵改型及優(yōu)化工程 要求 將基于全流道數(shù)值模擬及性能預測方法應用于雙吸主油泵過流部件的 流體動力優(yōu)化設計 在設計過程中考慮整個運行范圍內(nèi)如何提高這類低比速 雙吸主油泵的效率和運行的穩(wěn)定性 并將研究成果用于配套的主油泵國產(chǎn)化 和國內(nèi)自主創(chuàng)新研究開發(fā)中 無論對我國發(fā)電設備制造業(yè)的自主創(chuàng)新 還是 對這類離心泵的設計理論和方法的發(fā)展都有重要意義 1 3 國內(nèi)外汽輪機組油系統(tǒng)及其主油泵研究狀況及發(fā)展趨勢 1 3 1 汽輪機組油系統(tǒng)的發(fā)展及主要形式 汽輪機潤滑油系統(tǒng)的研究是生產(chǎn)技術的發(fā)展 自動化和生產(chǎn)連續(xù)性程度 不斷提高的需要 是人們對油系統(tǒng)的安全可靠性要求越來越高的必然 以前 國內(nèi)外大多數(shù)汽輪機安全系統(tǒng)的研究主要集中在軸系振動 葉片及轉子壽命 診斷等方面 近年來 隨著汽輪機容量的不斷增加及控制系統(tǒng)觀念的更新 人們對油系統(tǒng)工作的可靠性提出了更高的要求 我國于上世紀8 0 年代后期開始研究油系統(tǒng) 過程中大致經(jīng)歷以下幾個 階段 我國的汽輪發(fā)電機組是從小機組逐漸發(fā)展起來的 早期的汽輪機單機功 率一般較小 其供油系統(tǒng)采用獨立的電動油泵或與主軸連接在一起的齒輪泵 或螺桿泵供油系統(tǒng)為機組提供潤滑油和調(diào)速系統(tǒng)用油 采用獨立電動油泵的 西華大學碩士學位論文 供油系統(tǒng) 油泵由電動機帶動 其特點是能在機組整個運行過程中為機組提 供潤滑油 采用與主軸連一起的齒輪泵或螺桿泵的供油系統(tǒng)其特點是自吸能 力強 可直接由主油箱吸油 并能在低轉速下繼續(xù)向潤滑油系統(tǒng)供油 機組 潤滑油系統(tǒng)可靠性高 隨著汽輪機制造業(yè)發(fā)展 單機容量逐漸增加 同時由于調(diào)節(jié)部套的大型 化 使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的用油量增加了許多 為此 我國重新設計了大油量 具有 平滑特性線的高性能主油泵 射油器供油系統(tǒng)以滿足需要 主油泵直接連接 到汽輪機的主軸上 提高了機組運行效率和油系統(tǒng)的可靠性 此外 離心式 主油泵受油質(zhì)影響很小 射油器為無機械運動部件 使得其使用壽命大大延 長 此種供油系統(tǒng)簡圖如圖1 1 所示 f i g1 1m a i no i lp u m pa n dj e t p u m po i ls u p p l ys y s t e m 圖1 1 主油泵 射油器供油系統(tǒng) 對于6 0 0 m w 的機組 射油器的工作流量已接近其臨界流量 主油泵 射油器供油系統(tǒng)的供油量已不能滿足容量進一步增大的機組用油量 為此 我國6 5 0 m w 的核電機組潤滑油系統(tǒng)已開始采用以油渦輪增壓泵代替射油 器的供油系統(tǒng) 此種供油系統(tǒng)如圖1 2 所示 4 西華大學碩士學位論文 f i g1 2m a i no i lp u m pa n dt u r b o p u m po i l s u p p l ys y s t e m 圖1 2 主油泵 油渦輪增壓泵供油系統(tǒng) 渦輪增壓泵具有體積小 提供的油量大及效率高等優(yōu)點 且渦輪增壓泵 在非設計工況下仍可維持較高的效率 減小了主油泵的功率 提高了機組經(jīng) 濟性 此外 主油泵 渦輪增壓泵供油系統(tǒng)由渦輪增壓泵向主油泵入口供油 使得主油泵入口油壓力提高 維持機組潤滑油系統(tǒng)供油能力的轉速比主油 泵 射油器供油系統(tǒng)低 提高了機組啟停機過程中的安全可靠性 綜上所述 汽輪機潤滑油系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在主要有兩種形式 汽輪機主軸 驅動主油泵系統(tǒng)和電驅動主油泵系統(tǒng) 3 5 主軸驅動主油泵潤滑油系統(tǒng)是最為常見的系統(tǒng) 泵由汽輪機前端轉子帶 動其工作 具有較高的可靠性 該形式的主油泵有兩種方式的配置 一種為 離心式主油泵 這種形式的主油泵出口壓力油一部分供潤滑油動力油 一部 分供調(diào)節(jié)保安用油 潤滑油動力油帶動射油器或油渦輪工作 向軸承等部套 提供潤滑油和主油泵入口供油 由于離心式主油泵的自吸能力很低 當系統(tǒng) 使用射油器時 主油泵為兩臺射油器提供動力油 一臺射油器供潤滑油 另 一臺射油器提供主油泵入口供油 由于射油器結構簡單 沒有旋轉部件 維 修方便 但射油器的效率低 噪音大 且不可調(diào) 當系統(tǒng)使用油渦輪時 動 力油沖動油渦輪帶動增壓泵工作 增壓泵向主油泵入口供油 經(jīng)油渦輪做功 的動力油降壓后向潤滑油供油 油渦輪的效率較射油器高 噪音小 調(diào)整方 便 但其結構復雜 加工難度大 有一定的維護工作量 需要定期更換備件 第二種為齒輪泵 由于容積泵有較好的自吸能力 它與高位油箱配合 可以 西華大學碩士學位論文 省去主油泵供油設備 即減少射油器或油渦輪 直接向潤滑油系統(tǒng)供油 使 系統(tǒng)簡化 但主軸帶動減速箱 由減速箱帶動齒輪泵工作 動靜接觸較大 部件的磨損很大 給電廠帶來很大的維護工作量 甚至影響機組的正常發(fā)電 電驅動主油泵系統(tǒng)是用電動機直接帶動油泵運行 它是相關設備技術發(fā) 展的結果 其特點是能在機組整個運行過程中為機組提供潤滑油和調(diào)速系統(tǒng) 用油 但在機組失去廠用電的情況下則無法保障機組用油 可靠性受到影響 故應用不廣泛 現(xiàn)在隨著電機的制造技術和電子技術的進步 電動油泵的安 全性和可用率得到了可靠保證 電動主油泵系統(tǒng)的廣泛應用成為可能 上述的油系統(tǒng)是在尋求一種高效率 高可靠性的汽輪機油系統(tǒng)過程中產(chǎn) 生的 有著各自的優(yōu)缺點 近幾年來 隨著汽輪發(fā)電機組單機容量不斷增大 對大型汽輪機效率 控制精度及可靠性的要求不斷提高 汽輪機組的油系統(tǒng) 在不斷的發(fā)展 主油泵作為汽輪機油系統(tǒng)的重要設備之一 對其性能要求也 同益提高 1 3 2 主油泵的研究狀況及發(fā)展趨勢 汽輪機組的油系統(tǒng)主要包括潤滑油系統(tǒng) 調(diào)速油系統(tǒng)等 其基本作用為 1 供汽輪機組各軸承作潤滑油 在軸頸和軸瓦之間建立液體摩擦 減少 軸承的摩擦損失 同時帶走由摩擦產(chǎn)生的熱量和由高溫轉子傳來的熱量 2 供給調(diào)節(jié)系統(tǒng)和保護裝置用油 以保證其正常工作 汽輪機組油系統(tǒng)必須在任何情況下 即不論在機組正常運行 還是在啟 動 停機 事故甚至當電廠交流電源斷電時 都應能確保供油 對于高速旋 轉的汽輪發(fā)電機組 哪怕是暫時 如幾秒鐘 的供油中斷也會引起重大事故 如軸承的巴氏合金因中斷冷卻而熔化 使機組的轉子失去支承 動 靜部分 將發(fā)生嚴重的磨損 若調(diào)節(jié)系統(tǒng)斷油 整個機組將失去控制 由此可見 汽 輪機組油系統(tǒng)的正常工作是保證汽輪機組正常運轉的必要條件 如前所述 傳統(tǒng)的汽輪機組油系統(tǒng)多采用主油泵一射油器供油 后來隨 著科學技術的進步 汽輪機組油系統(tǒng)出現(xiàn)開始采用主油泵一油渦輪增壓泵的 趨勢 它由主油泵驅動油渦輪向系統(tǒng)供油 但無論采用上述哪一種供油方式 主油泵都是該系統(tǒng)的核心部件 其運行性能對于汽輪機組的安全運行起著重 6 西華大學碩士學位論文 要的作用 6 1 汽輪機組主油泵一般采用低比轉速雙吸離心泵 根據(jù)主油泵的運行特點 及油系統(tǒng)對主油泵的要求 對主油泵的設計 制造提出了一系列的嚴格要求 1 流量一揚程特性曲線要平坦 且必須是下降形狀 在流量增大時 具 有很小的壓降 以保證在主油泵的運行工況內(nèi)主油泵壓力輸出要平穩(wěn) 2 變工況適應性強 效率要高 高效率區(qū)要寬 3 有較好的空化特性 為了能夠滿足上述要求 非常有必要對主油泵的設計開展深入研究 努 力提高主油泵的性能 可靠性 可維修性 壽命 來更好的保證汽輪機組的 安全運行 7 9 1 根據(jù)主油泵的工作參數(shù)要求 一般采用低比轉速雙吸離心泵 對于低比 轉速離心泵 傳統(tǒng)上采用t 無理論設計方法 需要依靠經(jīng)驗和大量的模型試 驗相結合 其一般過程是 首先根據(jù)一元理論和經(jīng)驗進行初步水力設計 然 后進行樣機試制 再對樣機進行性能試驗檢測 如果性能不能滿足設計要求 那么就修改設計 再重復以上步驟 直到性能滿足設計要求為止 在傳統(tǒng)的 主油泵的研制過程中 一個成功的水力設計模型往往要經(jīng)過反復進行樣機試 制 性能試驗和設計修改才能完成 因此缺點是設計周期長 設計成本高 主油泵內(nèi)部流動的狀態(tài)決定了它的外部特性 外特性是它的外部表現(xiàn) 其內(nèi) 部流態(tài)才是根本的內(nèi)因 隨著計算技術的飛速發(fā)展 復雜流動問題的模擬計 算也迅速發(fā)展 大量的商用c f d 軟件不斷的涌現(xiàn) 并被應用于泵內(nèi)三維流 場分析研究 國外研究機構和大型的泵生產(chǎn)企業(yè)運用商用c f d 軟件對泵內(nèi) 流場進行分析 使泵的三維流場分布及泵內(nèi)流動情況可視化 對泵的性能進 行預測 以 數(shù)值仿真試驗 代替或減少樣品泵的試驗 為主油泵的優(yōu)化設 計提供了新的手段和方法 1 1 0 這種基于性能預測的優(yōu)化設計方法是當前 和今后流體機械數(shù)字化設計研究的重要發(fā)展方向之一 目前國內(nèi)大量已在運行的主油泵普遍存在著效率低 運行穩(wěn)定性差等問 題 如國內(nèi)生產(chǎn)的3 0 0 m w 機組配套的主油泵效率低于5 0 為了更好的保 證汽輪機組運行的穩(wěn)定性和安全性 迫切需要對這類主油泵進行改造和優(yōu)化 設計 近幾年來 隨著超臨界 超超臨界參數(shù)的6 0 0 m w 1 0 0 0 m w 等級的 西華大學碩士學位論文 巨型汽輪機組的研發(fā) 對配套的主油泵的性能要求越來越高 為了達到汽輪 機組運行的參數(shù)要求 配套的主油泵一般從國外進口 為了加速汽輪機組配 套的主油泵的國產(chǎn)化 迫切需要對主油泵的內(nèi)部流動進行深入研究 探索基 于性能預測的優(yōu)化設計方法 在吸收和消化國外先進設計理念和技術的基礎 上 進一步實現(xiàn)主油泵設計的自主創(chuàng)新 1 4 基于性能預測的低比轉速油泵改型及優(yōu)化設計的技術路線 如前所述 本文的研究是結合國內(nèi)汽輪機組配套的主油泵自主開發(fā)需求 及某3 0 0 m w 機組配套的主油泵改造要求來進行的 汽輪機組配套的主油泵 采用的是低比轉速的單級雙吸離心泵 根據(jù)供油系統(tǒng)的要求 不僅要具有良 好的性能曲線 較高的水力效率 而且要求變工況適應性要強 具有較好的 抗汽蝕性能 要達到上述目標 則需要通流部件具有良好的幾何形狀和尺寸 結構 這就對離心泵的性能提出了更高的要求 因此非常有必要對主油泵進 行改型及優(yōu)化設計 長期以來 離心泵的改型設計方法主要是采用在原有過流部件實測的基 礎上模擬原有流道 對需要改造的部件進行多方案的設計 依靠模型試驗來 修改和驗證以達到改造過流部件的流體動力性能要求 不僅周期長 而且成 本也較高 隨著數(shù)值方法的研究和計算機速度和容量的提高 使得運用c f d 技術對離心泵進行流體動力學性能預測分析 并以此為基礎進行改型優(yōu)化設 計成為可能 j 離心泵內(nèi)部流場的數(shù)值模擬是性能預測的基礎 離心泵內(nèi)部 流動是非常復雜的全三維粘性流動 必須根據(jù)離心泵的過流部件 運行工況 分析其流動特點 確定適合的流動模型和邊界條件 在各工況下通過數(shù)值模 擬求解流體機械內(nèi)部復雜的全三維粘性流動 才可能進行性能預測 早在2 0 世紀5 0 年代 一些專家學者就開始嘗試采用數(shù)值模擬的方法來 預測葉輪中的流動情況 但具有完備形態(tài)的內(nèi)流數(shù)值模擬 一般認為始于吳 仲華教授的s l s 2 兩類相對流面理論后 l2 1 葉輪機械內(nèi)流無粘數(shù)值模擬才 獲得迅速發(fā)展 至7 0 年代 無粘數(shù)值模擬已達到相當高的水平 并陸續(xù)應 用于工業(yè)設計中 7 0 年代中期以后 考慮真實流體粘性效應的數(shù)值模擬受到 人們的重視 從2 0 世紀8 0 年代初到9 0 年代初 隨著計算機技術的發(fā)展 8 西華大學碩士學位論文 人們開始綜合考慮離心葉輪內(nèi)流的粘性 回流以及旋渦對葉輪內(nèi)部流動的影 響 1 9 8 6 年 t a n a b e 1 3 等用原始變量方法 有限元離散 數(shù)值計算了一離心 泵葉輪內(nèi)部三維紊流流動 1 9 8 9 年 e w a l ds t e c k t l 4 等采用速度 渦量方法 有 限差分離散 數(shù)值計算了一離心泵葉輪內(nèi)部三維層流流動 與燃氣輪機 壓 氣機等葉片式流體機械相比較 由于離心泵的流道呈擴散型 易產(chǎn)生分離和 脫流 以及泵所輸送的具體介質(zhì)具有粘性等原因 離心泵葉輪內(nèi)部粘性流動 數(shù)值模擬起步較晚 l 引 2 0 世紀9 0 年代開始 大容量高速度計算機的出現(xiàn)以及計算流體力學的 發(fā)展 由于離心泵葉輪內(nèi)流的三維性 以及葉輪旋轉和表面曲率的影響 考 慮湍流運動的葉輪內(nèi)流計算方法正引起許多學者的興趣 離心泵葉輪內(nèi)流數(shù) 值模擬進入了一個三維粘性數(shù)值模擬時期 1 9 9 2 年 s h iq i n g p i n g 等t 怕l g o e d e 等 和g o t o 等l 憾 先后發(fā)表了離心泵葉輪內(nèi)部湍流流動數(shù)值計算成果 1 9 9 7 年 g u l i c ha n df a v r e l w 為了證實c f d 的有效性 進行了比轉速范圍從1 2 到 1 6 0 歐制單位 3 0 個葉輪的揚程和效率計算 所計算的揚程的偏差為 2 5 從2 0 世紀9 0 年代中期以后 國內(nèi)學者在離心泵內(nèi)流數(shù)值模擬方面也作了許 多有意義的工作 清華大學吳玉林 曹樹良教授等 2 0 2 2 在離心泵的數(shù)值模擬 方面做了許多研究 分別進行了泵內(nèi)單相流和兩相流動的數(shù)值研究 也進行 了不同湍流模型和大渦模擬技術的有效探索 取得了很好的成果 袁壽其等 2 3 模擬計算了低比轉速和無過載離心泵葉輪流場 揭示了泵的進口回流和出 口二次流等流動特征 這些研究工作為進一步發(fā)展離心泵的模擬計算研究奠 定了基礎 近幾年來 隨著數(shù)值模擬技術和計算機技術的進一步發(fā)展 商業(yè)c f d 分析軟件在各個領域得到廣泛應用 改變了以前人們運用自編程序對離心泵 葉輪內(nèi)流數(shù)值模擬的狀況 隨著商業(yè)c f d 軟件在計算旋轉機械流場方面專 業(yè)性的增強 己有越來越多的學者開始使用這類軟件計算葉輪內(nèi)的流動 2 4 1 取得了較好的計算效果 為推動商業(yè)c f d 軟件在離心泵內(nèi)流數(shù)值模擬中的 運用積累了經(jīng)驗 s s h u k l a 2 5 對一臺采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計方法和優(yōu)化工具設 計的離心泵采用商用c f d 軟件對其內(nèi)部流動狀態(tài)進行檢驗 在設計工況點 處 效率和揚程的計算結果和試驗結果相差3 以內(nèi) 在基本計算的基礎上 9 西華大學碩士學位論文 對該泵的流量 揚程 效率和汽蝕等性能進行全面的數(shù)值試驗 取得了較好 效果 k r i k k e l 2 6 對一臺具有六葉片的閉式離心葉輪內(nèi)部流動采用大渦模擬 進行了分析 采用f i n e t u r b o 求解器分析了設計工況點和非設計工況下葉輪 內(nèi)的流動 并用p i v 測量結果驗證數(shù)值模擬的可靠性 d e l g o s h ao c 等 2 7 l 利用n u m e c a 軟件基于b a l d w i n l o m a x 兩層代數(shù)湍流模型對汽蝕狀態(tài)的彎 曲葉片的離心泵葉輪進行了實驗和數(shù)值模擬研究 數(shù)值模擬的結果和實驗非 常吻合 左紅梅掣2 8 利用n u m e c a 軟件基于b a l d w i n l o m a