（流体机械及工程专业论文）基于性能预测的低比转速主油泵改型及优化设计.pdf

西华大学硕士学位论文 基于性能预测的低比转速主油泵改型及优化设计 流体机械及工程专业 研究生邵国辉指导教师赖喜德教授 低比转速离心泵广泛用于发电厂 石油 化工 城市供水 农业排灌等 行业 这类低比转速离心泵普遍存在着效率低 运行稳定性差 在大流量区 域易产生过载等问题 在火电厂和核电厂供油系统中主油泵是典型的低比转 速双吸离心泵 主油泵作为汽轮机组供油系统的动力源和核心设备 其性能 对汽轮机组的安全运行有非常大的影响 随着汽轮机组单机容量的不断增加 和结构尺寸的巨型化 对汽轮机组的油系统的适应性和可靠性要求越来越 高 也相应地对主油泵的设计提出了更大的挑战 为了满足大型汽轮机机组油系统需要 这类主油泵工作参数不仅要求升 压比高达1 5 2 0 倍 而且要求流量大和对变工况的适应性强 不仅要求主 油泵具有较高的流体动力效率 性能曲线较为平坦 而且具有较好的空化性 能 为达到工作参数要求 一般必须采用超低比转速 常低于4 0 的单级双 吸离心泵 其工作参数要求和高性能参数要求往往产生矛盾 如何合理解决 和协调是这类泵流体动力设计中的关键问题 传统以模型试验为主的研究开 发方式已很难满足这些要求 非常有必要探索基于性能预测的优化设计方法 来解决这类低比转速双吸油泵研究开发 另外一方面 由于大量已在运行的 低比转速离心泵普遍存在着效率低等问题 如一些3 0 0 m w 及以下机组配套 的主油泵现在也极需要进行改造和改型设计 为了解决改型设计问题并降低 改造成本 采用基于性能预测的改型设计方法是有效的途径之一 本文根据工程实际需要 以提高效率和运行稳定性为优化目标 研究适 西华大学硕士学位论文 合低比转速双吸离心泵的优化设计方法 结合国内某3 0 0 m w 汽轮发电机组 油系统的主油泵改型设计要求来探索基于性能预测的低比转速双吸离心泵 流体动力优化设计方法 首先对3 0 0 m w 机组的主油泵进行全流道三维流场 数值模拟和性能预测验证 分析其存在的问题 再对引进的6 0 0 m w 汽轮发 电机组配套的主油泵的进行数值模拟分析 研究分析其流道设计思想 并以 该主油泵的叶轮流道形状作为参考 根据3 0 0 m w 机组的主油泵的工作参数 要求制定初步的改型设计的方案 然后 通过 数值模拟试验 修改设计 流道几何参数和形状 的多次循环 直至获得满足工作参数和性能的流道 而最终实现对其流道改型和优化设计 将基于全流道数值模拟及性能预测方 法应用于双吸主油泵过流部件的改型及优化设计中 通过数值试验取代高成 本的模型试验 本文的方法己成功用于实际工程 解决了某3 0 0 m w 机组的 主油泵流道改型设计 不仅提高了流体动力性能 而且缩短研制周期和降低 开发成本 本文的课题同国内大型汽轮机制造厂合作 将基于全流道数值模拟及性 能预测方法应用于双吸主油泵过流部件的流体动力优化设计 在设计过程中 考虑整个运行范围内如何提高这类低比速双吸主油泵的效率和运行的稳定 性 并已将研究成果用于大型汽轮机组配套的主油泵国产化和国内自主创新 研究开发中 无论对我国发电设备制造业的自主创新 还是对这类离心泵的 设计理论和方法的发展都有重要意义 关键词 主油泵 低比转速 数值模拟 改型设计 优化设计 性能 预测 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 飘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 础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 鹕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 锄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 锄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 内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 锄们r b l 鹏哪 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 锄 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 西华大学硕士学位论文 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 西华大学硕士学位论文 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 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包括其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包括为获得西华大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的 论文 成果归西华大学所有 特此声明 佟着签名 召p 目潞 擗与只 淝 导师签名 咕年r 其舻 西华大学硕士学位论文 1 1 课题的来源及名称 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于四川省教育厅自然科学基金重点项目 0 7 z a l l 6 四川省 重点学科建设重点项目 s z d0 4 1 2 及企业委托 1 1 2 课题名称 基于性能预测的低比转速主油泵改型及优化设计 1 2 课题研究的背景 目的及意义 1 2 1 课题研究的背景 低比转速离心泵广泛用于发电厂 石油 化工 城市供水 农业排灌等 行业 在火电厂和核电厂供油系统中主油泵是典型的低比转速双吸离心泵 这类低比转速离心泵普遍存在着效率低 运行稳定性差等问题 如国内生产 3 0 0 m w 机组配套的主油泵效率低于5 0 为了满足大型汽轮机机组油系统 需要 这类主油泵工作参数不仅要求升压比高达1 5 2 0 倍 而且要求流量 大和对变工况的适应性强 为达到工作参数要求 一般必须采用超低比转速 常低于4 0 的单级双吸离心泵 其工作参数要求和高性能参数要求往往产 生矛盾 如何合理解决和协调是这类泵流体动力设计中的关键问题 若采用 的传统设计方法 则存在如下主要问题 l 1 效率非常低 如国内3 0 0 m w 机组配套的主油泵效率低于5 0 扬程特性曲线易出现驼峰 造成运行不稳定现象 轴功率随流量增加而遗速增加 在大流量区域易产生过载等 西华大学硕士学位论文 传统以模型试验为主的研究方法 不仅成本高和周期长 而且对这类 高性能要求的离心泵并不有效 为保证机组的运行稳定性和安全性 目前与国内6 0 0 m w 及以上汽轮机 机组配套的主油泵的设计模型主要是从国外引进 油系统是火电和核电机组 的重要组成部分之一 是保证汽轮机组能够正常运行的关键 随着汽轮机组 单机组容量的增加 对汽轮机组的油系统的可靠性要求也不断提高 主油泵 作为汽轮机组供油系统的核心部分和动力源 对于这类低比转速离心泵的流 体动力设计提出了更高的要求 要求设计的主油泵具有高效率 良好的空化 性能 平坦的性能曲线及良好的变工况稳定性 为了满足这些要求 非常有 必要探索基于性能预测的优化设计方法来解决这类低比转速双吸油泵研究 开发 另外一方面 由于大量已在运行的低比转速离心泵普遍存在着效率低 等问题 如一些已运行的3 0 0 m w 及以下机组配套的主油泵现在也极需要进 行改造和改型设计 为了解决改型设计问题并降低改造成本 借鉴在水轮机 行业的成功经验 lj 采用基于性能预测的改型设计方法是有效的途径之一 从国内外的发展趋势方面 低比转速离心泵内部流场的数值模拟 性能预测 及数字化设计技术等是当前和今后叶片式流体机械研究的重点方向之一 1 2 2 课题研究的目的 本课题结合国内大型汽轮机组配套的主油泵研发 研究适合这类超低比 速大型双吸泵的优化设计方法 以提高效率和运行稳定性为优化目标 探索 出基于性能预测的低比转速双吸离心泵优化设计方法 结合国内汽轮机组配 套的主油泵自主开发需求及某3 0 0 m w 机组配套的主油泵改造 将基于全流 道数值模拟及性能预测方法应用于双吸主油泵过流部件的改型及优化设计 中 通过数值试验取代高成本的模型试验 通过本项目研究开发的优化设计 方法来设计大型双吸主油泵过流部件 采用数字化设计工具设计三元叶轮 提高这类低比速双吸主油泵的效率 并改善运行的稳定性 结合国内东方汽 轮机有限公司的汽轮机组配套主油泵开发 将研究成果应用于实际工程 解 决配套的大型主油泵国产化和自主创新问题 作为设计理论与方法研究 其 研究成果可以进一步用于解决所有低比速双吸泵过流部件优化设计问题 2 西华大学硕士学位论文 1 2 3 课题研究的意义 如前所述 低比转速双吸离心泵广泛用于发电厂 石油 化工 城市供 水 农业排灌等行业 但是普遍存在效率低 运行稳定性差 其耗能指标高 等问题 如国内早期3 0 0 m w 机组配套的主油泵效率低于5 0 通过改造优 化设计可以达7 2 以上 科学地开发能源和节约能源是我国的基本国策之 一 我国在限制小火电的同时 大力开发核电和巨型火电站 其汽轮机组配 套的主油泵性能要求也越来越高 主油泵作为火电厂和核电厂的汽轮机机组 供油系统的核心部分 目前与国内6 0 0 m w 及以上汽轮机组配套的主油泵主 要是引进国外技术 对这类主油泵进行国产化的任务非常迫切 本课题同国 内东方汽轮机厂合作 结合国内大型汽轮机组配套的主油泵改型及优化工程 要求 将基于全流道数值模拟及性能预测方法应用于双吸主油泵过流部件的 流体动力优化设计 在设计过程中考虑整个运行范围内如何提高这类低比速 双吸主油泵的效率和运行的稳定性 并将研究成果用于配套的主油泵国产化 和国内自主创新研究开发中 无论对我国发电设备制造业的自主创新 还是 对这类离心泵的设计理论和方法的发展都有重要意义 1 3 国内外汽轮机组油系统及其主油泵研究状况及发展趋势 1 3 1 汽轮机组油系统的发展及主要形式 汽轮机润滑油系统的研究是生产技术的发展 自动化和生产连续性程度 不断提高的需要 是人们对油系统的安全可靠性要求越来越高的必然 以前 国内外大多数汽轮机安全系统的研究主要集中在轴系振动 叶片及转子寿命 诊断等方面 近年来 随着汽轮机容量的不断增加及控制系统观念的更新 人们对油系统工作的可靠性提出了更高的要求 我国于上世纪8 0 年代后期开始研究油系统 过程中大致经历以下几个 阶段 我国的汽轮发电机组是从小机组逐渐发展起来的 早期的汽轮机单机功 率一般较小 其供油系统采用独立的电动油泵或与主轴连接在一起的齿轮泵 或螺杆泵供油系统为机组提供润滑油和调速系统用油 采用独立电动油泵的 西华大学硕士学位论文 供油系统 油泵由电动机带动 其特点是能在机组整个运行过程中为机组提 供润滑油 采用与主轴连一起的齿轮泵或螺杆泵的供油系统其特点是自吸能 力强 可直接由主油箱吸油 并能在低转速下继续向润滑油系统供油 机组 润滑油系统可靠性高 随着汽轮机制造业发展 单机容量逐渐增加 同时由于调节部套的大型 化 使调节系统的用油量增加了许多 为此 我国重新设计了大油量 具有 平滑特性线的高性能主油泵 射油器供油系统以满足需要 主油泵直接连接 到汽轮机的主轴上 提高了机组运行效率和油系统的可靠性 此外 离心式 主油泵受油质影响很小 射油器为无机械运动部件 使得其使用寿命大大延 长 此种供油系统简图如图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 图1 1 主油泵 射油器供油系统 对于6 0 0 m w 的机组 射油器的工作流量已接近其临界流量 主油泵 射油器供油系统的供油量已不能满足容量进一步增大的机组用油量 为此 我国6 5 0 m w 的核电机组润滑油系统已开始采用以油涡轮增压泵代替射油 器的供油系统 此种供油系统如图1 2 所示 4 西华大学硕士学位论文 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 图1 2 主油泵 油涡轮增压泵供油系统 涡轮增压泵具有体积小 提供的油量大及效率高等优点 且涡轮增压泵 在非设计工况下仍可维持较高的效率 减小了主油泵的功率 提高了机组经 济性 此外 主油泵 涡轮增压泵供油系统由涡轮增压泵向主油泵入口供油 使得主油泵入口油压力提高 维持机组润滑油系统供油能力的转速比主油 泵 射油器供油系统低 提高了机组启停机过程中的安全可靠性 综上所述 汽轮机润滑油系统发展到现在主要有两种形式 汽轮机主轴 驱动主油泵系统和电驱动主油泵系统 3 5 主轴驱动主油泵润滑油系统是最为常见的系统 泵由汽轮机前端转子带 动其工作 具有较高的可靠性 该形式的主油泵有两种方式的配置 一种为 离心式主油泵 这种形式的主油泵出口压力油一部分供润滑油动力油 一部 分供调节保安用油 润滑油动力油带动射油器或油涡轮工作 向轴承等部套 提供润滑油和主油泵入口供油 由于离心式主油泵的自吸能力很低 当系统 使用射油器时 主油泵为两台射油器提供动力油 一台射油器供润滑油 另 一台射油器提供主油泵入口供油 由于射油器结构简单 没有旋转部件 维 修方便 但射油器的效率低 噪音大 且不可调 当系统使用油涡轮时 动 力油冲动油涡轮带动增压泵工作 增压泵向主油泵入口供油 经油涡轮做功 的动力油降压后向润滑油供油 油涡轮的效率较射油器高 噪音小 调整方 便 但其结构复杂 加工难度大 有一定的维护工作量 需要定期更换备件 第二种为齿轮泵 由于容积泵有较好的自吸能力 它与高位油箱配合 可以 西华大学硕士学位论文 省去主油泵供油设备 即减少射油器或油涡轮 直接向润滑油系统供油 使 系统简化 但主轴带动减速箱 由减速箱带动齿轮泵工作 动静接触较大 部件的磨损很大 给电厂带来很大的维护工作量 甚至影响机组的正常发电 电驱动主油泵系统是用电动机直接带动油泵运行 它是相关设备技术发 展的结果 其特点是能在机组整个运行过程中为机组提供润滑油和调速系统 用油 但在机组失去厂用电的情况下则无法保障机组用油 可靠性受到影响 故应用不广泛 现在随着电机的制造技术和电子技术的进步 电动油泵的安 全性和可用率得到了可靠保证 电动主油泵系统的广泛应用成为可能 上述的油系统是在寻求一种高效率 高可靠性的汽轮机油系统过程中产 生的 有着各自的优缺点 近几年来 随着汽轮发电机组单机容量不断增大 对大型汽轮机效率 控制精度及可靠性的要求不断提高 汽轮机组的油系统 在不断的发展 主油泵作为汽轮机油系统的重要设备之一 对其性能要求也 同益提高 1 3 2 主油泵的研究状况及发展趋势 汽轮机组的油系统主要包括润滑油系统 调速油系统等 其基本作用为 1 供汽轮机组各轴承作润滑油 在轴颈和轴瓦之间建立液体摩擦 减少 轴承的摩擦损失 同时带走由摩擦产生的热量和由高温转子传来的热量 2 供给调节系统和保护装置用油 以保证其正常工作 汽轮机组油系统必须在任何情况下 即不论在机组正常运行 还是在启 动 停机 事故甚至当电厂交流电源断电时 都应能确保供油 对于高速旋 转的汽轮发电机组 哪怕是暂时 如几秒钟 的供油中断也会引起重大事故 如轴承的巴氏合金因中断冷却而熔化 使机组的转子失去支承 动 静部分 将发生严重的磨损 若调节系统断油 整个机组将失去控制 由此可见 汽 轮机组油系统的正常工作是保证汽轮机组正常运转的必要条件 如前所述 传统的汽轮机组油系统多采用主油泵一射油器供油 后来随 着科学技术的进步 汽轮机组油系统出现开始采用主油泵一油涡轮增压泵的 趋势 它由主油泵驱动油涡轮向系统供油 但无论采用上述哪一种供油方式 主油泵都是该系统的核心部件 其运行性能对于汽轮机组的安全运行起着重 6 西华大学硕士学位论文 要的作用 6 1 汽轮机组主油泵一般采用低比转速双吸离心泵 根据主油泵的运行特点 及油系统对主油泵的要求 对主油泵的设计 制造提出了一系列的严格要求 1 流量一扬程特性曲线要平坦 且必须是下降形状 在流量增大时 具 有很小的压降 以保证在主油泵的运行工况内主油泵压力输出要平稳 2 变工况适应性强 效率要高 高效率区要宽 3 有较好的空化特性 为了能够满足上述要求 非常有必要对主油泵的设计开展深入研究 努 力提高主油泵的性能 可靠性 可维修性 寿命 来更好的保证汽轮机组的 安全运行 7 9 1 根据主油泵的工作参数要求 一般采用低比转速双吸离心泵 对于低比 转速离心泵 传统上采用t 无理论设计方法 需要依靠经验和大量的模型试 验相结合 其一般过程是 首先根据一元理论和经验进行初步水力设计 然 后进行样机试制 再对样机进行性能试验检测 如果性能不能满足设计要求 那么就修改设计 再重复以上步骤 直到性能满足设计要求为止 在传统的 主油泵的研制过程中 一个成功的水力设计模型往往要经过反复进行样机试 制 性能试验和设计修改才能完成 因此缺点是设计周期长 设计成本高 主油泵内部流动的状态决定了它的外部特性 外特性是它的外部表现 其内 部流态才是根本的内因 随着计算技术的飞速发展 复杂流动问题的模拟计 算也迅速发展 大量的商用c f d 软件不断的涌现 并被应用于泵内三维流 场分析研究 国外研究机构和大型的泵生产企业运用商用c f d 软件对泵内 流场进行分析 使泵的三维流场分布及泵内流动情况可视化 对泵的性能进 行预测 以 数值仿真试验 代替或减少样品泵的试验 为主油泵的优化设 计提供了新的手段和方法 1 1 0 这种基于性能预测的优化设计方法是当前 和今后流体机械数字化设计研究的重要发展方向之一 目前国内大量已在运行的主油泵普遍存在着效率低 运行稳定性差等问 题 如国内生产的3 0 0 m w 机组配套的主油泵效率低于5 0 为了更好的保 证汽轮机组运行的稳定性和安全性 迫切需要对这类主油泵进行改造和优化 设计 近几年来 随着超临界 超超临界参数的6 0 0 m w 1 0 0 0 m w 等级的 西华大学硕士学位论文 巨型汽轮机组的研发 对配套的主油泵的性能要求越来越高 为了达到汽轮 机组运行的参数要求 配套的主油泵一般从国外进口 为了加速汽轮机组配 套的主油泵的国产化 迫切需要对主油泵的内部流动进行深入研究 探索基 于性能预测的优化设计方法 在吸收和消化国外先进设计理念和技术的基础 上 进一步实现主油泵设计的自主创新 1 4 基于性能预测的低比转速油泵改型及优化设计的技术路线 如前所述 本文的研究是结合国内汽轮机组配套的主油泵自主开发需求 及某3 0 0 m w 机组配套的主油泵改造要求来进行的 汽轮机组配套的主油泵 采用的是低比转速的单级双吸离心泵 根据供油系统的要求 不仅要具有良 好的性能曲线 较高的水力效率 而且要求变工况适应性要强 具有较好的 抗汽蚀性能 要达到上述目标 则需要通流部件具有良好的几何形状和尺寸 结构 这就对离心泵的性能提出了更高的要求 因此非常有必要对主油泵进 行改型及优化设计 长期以来 离心泵的改型设计方法主要是采用在原有过流部件实测的基 础上模拟原有流道 对需要改造的部件进行多方案的设计 依靠模型试验来 修改和验证以达到改造过流部件的流体动力性能要求 不仅周期长 而且成 本也较高 随着数值方法的研究和计算机速度和容量的提高 使得运用c f d 技术对离心泵进行流体动力学性能预测分析 并以此为基础进行改型优化设 计成为可能 j 离心泵内部流场的数值模拟是性能预测的基础 离心泵内部 流动是非常复杂的全三维粘性流动 必须根据离心泵的过流部件 运行工况 分析其流动特点 确定适合的流动模型和边界条件 在各工况下通过数值模 拟求解流体机械内部复杂的全三维粘性流动 才可能进行性能预测 早在2 0 世纪5 0 年代 一些专家学者就开始尝试采用数值模拟的方法来 预测叶轮中的流动情况 但具有完备形态的内流数值模拟 一般认为始于吴 仲华教授的s l s 2 两类相对流面理论后 l2 1 叶轮机械内流无粘数值模拟才 获得迅速发展 至7 0 年代 无粘数值模拟已达到相当高的水平 并陆续应 用于工业设计中 7 0 年代中期以后 考虑真实流体粘性效应的数值模拟受到 人们的重视 从2 0 世纪8 0 年代初到9 0 年代初 随着计算机技术的发展 8 西华大学硕士学位论文 人们开始综合考虑离心叶轮内流的粘性 回流以及旋涡对叶轮内部流动的影 响 1 9 8 6 年 t a n a b e 1 3 等用原始变量方法 有限元离散 数值计算了一离心 泵叶轮内部三维紊流流动 1 9 8 9 年 e w a l ds t e c k t l 4 等采用速度 涡量方法 有 限差分离散 数值计算了一离心泵叶轮内部三维层流流动 与燃气轮机 压 气机等叶片式流体机械相比较 由于离心泵的流道呈扩散型 易产生分离和 脱流 以及泵所输送的具体介质具有粘性等原因 离心泵叶轮内部粘性流动 数值模拟起步较晚 l 引 2 0 世纪9 0 年代开始 大容量高速度计算机的出现以及计算流体力学的 发展 由于离心泵叶轮内流的三维性 以及叶轮旋转和表面曲率的影响 考 虑湍流运动的叶轮内流计算方法正引起许多学者的兴趣 离心泵叶轮内流数 值模拟进入了一个三维粘性数值模拟时期 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 先后发表了离心泵叶轮内部湍流流动数值计算成果 1 9 9 7 年 g u l i c ha n df a v r e l w 为了证实c f d 的有效性 进行了比转速范围从1 2 到 1 6 0 欧制单位 3 0 个叶轮的扬程和效率计算 所计算的扬程的偏差为 2 5 从2 0 世纪9 0 年代中期以后 国内学者在离心泵内流数值模拟方面也作了许 多有意义的工作 清华大学吴玉林 曹树良教授等 2 0 2 2 在离心泵的数值模拟 方面做了许多研究 分别进行了泵内单相流和两相流动的数值研究 也进行 了不同湍流模型和大涡模拟技术的有效探索 取得了很好的成果 袁寿其等 2 3 模拟计算了低比转速和无过载离心泵叶轮流场 揭示了泵的进口回流和出 口二次流等流动特征 这些研究工作为进一步发展离心泵的模拟计算研究奠 定了基础 近几年来 随着数值模拟技术和计算机技术的进一步发展 商业c f d 分析软件在各个领域得到广泛应用 改变了以前人们运用自编程序对离心泵 叶轮内流数值模拟的状况 随着商业c f d 软件在计算旋转机械流场方面专 业性的增强 己有越来越多的学者开始使用这类软件计算叶轮内的流动 2 4 1 取得了较好的计算效果 为推动商业c f d 软件在离心泵内流数值模拟中的 运用积累了经验 s s h u k l a 2 5 对一台采用传统的经验设计方法和优化工具设 计的离心泵采用商用c f d 软件对其内部流动状态进行检验 在设计工况点 处 效率和扬程的计算结果和试验结果相差3 以内 在基本计算的基础上 9 西华大学硕士学位论文 对该泵的流量 扬程 效率和汽蚀等性能进行全面的数值试验 取得了较好 效果 k r i k k e l 2 6 对一台具有六叶片的闭式离心叶轮内部流动采用大涡模拟 进行了分析 采用f i n e t u r b o 求解器分析了设计工况点和非设计工况下叶轮 内的流动 并用p i v 测量结果验证数值模拟的可靠性 d e l g o s h ao c 等 2 7 l 利用n u m e c a 软件基于b a l d w i n l o m a x 两层代数湍流模型对汽蚀状态的弯 曲叶片的离心泵叶轮进行了实验和数值模拟研究 数值模拟的结果和实验非 常吻合 左红梅掣2 8 利用n u m e c a 软件基于b a l d w i n l o m a