基于性能預測的離心泵改型及優(yōu)化設計

1、前言

　　目前,國內外現在對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,主油泵的升壓比高達15～18倍,流量達到5500～9500L/min,“p-Q”特性曲線(xiàn)平坦。而對于這類(lèi)離心泵,若采用傳統的設計方法將存在以下的主要問(wèn)題: (1)效率偏低; (2)“揚程- 流量”特性曲線(xiàn)易出現駝峰,造成運行時(shí)不穩定現象; (3)軸功率曲線(xiàn)隨流量增加而迅速增加,在大流量區域運行易產(chǎn)生過(guò)載等。并且傳統開(kāi)發(fā)過(guò)程以模型試驗為主,不僅成本高和周期長(cháng),而且對解決這類(lèi)離心泵的流體動(dòng)力性能優(yōu)化并不十分有效。因此,基于性能預測的優(yōu)化設計方法廣泛地使用在這類(lèi)低比轉速雙吸離心泵的研發(fā)過(guò)程中,以解決目前設計中存在的問(wèn)題 。

　　本文根據某660MW大型汽輪發(fā)電機組運行時(shí)對油系統的參數要求,在盡量保證其鑄件和結構改變量小的前提下,并能滿(mǎn)足新油系統運行參數要求的約束條件下采用加大流量設計法對原600MW汽輪機組配套的主油泵進(jìn)行流道改型設計,利用CFD技術(shù)對改型設計進(jìn)行性能預測,并對預測結果進(jìn)行分析,進(jìn)一步完善改型設計,達到了大型汽輪發(fā)電機組的主油泵改型及優(yōu)化設計的目標。

2、主油泵改型前后的參數與要求

2.1　主油泵改型前的參數

　　600MW汽輪機組配套的主油泵其工況參數及流體介質(zhì)參數如表1所示,流道主要幾何參數如表2所示。

表1　改型前主油泵的工況參數及介質(zhì)參數

表2　改型前主油泵的主要幾何參數

2.2、主油泵改型后的要求

　　設計流量Q=6300L/min,進(jìn)出口壓力差p=1.30MPa,效率η≥72%,轉速保持不變,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(xiàn)平坦。并且在不改變原主油泵外形尺寸的基礎上,盡量保證原有的鑄件能在新油泵中使用。

3、改型設計

　　通過(guò)對600MW機組配套的主油泵進(jìn)行現場(chǎng)測試、理論分析和多工況性能預測的基礎上,采用加大流量設計法對給定的設計流量和比速進(jìn)行放大,用放大了的流量和比速來(lái)設計一臺較大的泵,使其最高效率和設計點(diǎn)效率提高,從而使整個(gè)范圍內的平均效率得到提高。同時(shí)改變葉輪和泵體完成主油泵流道的改型設計,使其滿(mǎn)足在原設計工況流量增大15%左右的條件下,泵在大流量范圍內的進(jìn)出口壓力差適當有所上升,原“p—Q”曲線(xiàn)向右移的要求。

3.1、改變葉輪參數

　　要實(shí)現高效點(diǎn)向大流量偏移,需使改型設計的泵特性曲線(xiàn)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等。同時(shí),為了保證改型設計的泵在大流量范圍內的進(jìn)出口壓力差適當有所上升,葉輪出口直徑必須加大。

3.2、改變泵體參數

　　要使泵體與改型后的葉輪匹配,泵體參數如壓水室的進(jìn)口寬度、基圓直徑、泵體喉部面積等相應地應發(fā)生變化,以滿(mǎn)足原設計工況流量增大15%后的流動(dòng)要求。

3.3、改型設計結果

　　通過(guò)改變葉輪與泵體的相應參數,采用多工況的數值模擬和性能預測的方法,經(jīng)過(guò)多方案的比較,最終確定增大葉輪的出口直徑、出口寬度、葉片出口角、擴大泵腔以及改變蝸殼型腔的方案,完成改型設計。其流道結構如圖1所示,改型優(yōu)化后的各主要幾何參數如表3所示。

(a) 　葉輪及腔體流道結構 (b) 　蝸殼流道結構

圖1　改型前后流道結構示意

表3　改型后主油泵的各主要幾何參數

4、數值模擬

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,采用非結構化的4面體網(wǎng)格,完成計算區域的網(wǎng)格劃分,為保證流動(dòng)計算的連續性,對不同的過(guò)流部件采用滑移網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格連接。其網(wǎng)格如圖2所示,網(wǎng)格總數為952907。

圖2　主油泵全流道計算網(wǎng)格

4.2、數值模擬

　　數值模擬中計算模型選擇RNG k-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。計算時(shí),進(jìn)口按設計流速給定;出口按流動(dòng)充分發(fā)展條件給定,即所有變量的擴散通量都為0;在固體邊壁取無(wú)滑移邊界條件,采用壁面函數法對近壁區流動(dòng)進(jìn)行處理。