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            新聞資訊

            高品重科基于性能預測的主油泵優化設計

            更新時間:2017-03-04 09:56:44   點擊量:

              主油泵是汽輪機組的供油系統中重要設備之一,作為供油系統的動力源,其性能對于汽輪發電機組的安全運行有決定性的影響。隨著汽輪機組單機組容量的不斷增加,對汽輪機組的油系統的適應性和可靠性要求也不斷提高,同時對主油泵的設計提出了更大的挑戰。隨著汽輪機組朝著巨型化方向迅速發展,不僅要求其主油泵具有大流量,而且要求在較寬的運行工況范圍內具有高效率、高穩定性和高可靠性[1]。在大型火電和核電站中,國內外現在都廣泛采用“主油泵與油渦輪增壓泵”組成的供油系統,然而目前與國內600MW、1000MW汽輪機機組配套的主油泵的流體動力設計模型主要是從國外引進的。為了滿足大型汽輪機組油系統的需要,要求這類主油泵的升壓比高達15~20倍,流量達到5500~10000L/min,“p-Q”特性曲線平坦。為了滿足工作參數要求,一般采用超低比轉速的單級雙吸離心泵(其比轉速常低于40)。對于這類主油泵,若采用傳統的離心泵設計方法將存在如下主要問題:①效率偏低,如國內300MW汽輪機組配套的主油泵主要是前蘇聯技術,其運行的效率低于50%;②“揚程-流量”(“p-Q”)特性曲線易出現駝峰,造成運行時不穩定現象;③軸功率曲線隨流量增加而迅速增加,在大流量區域運行易產生過載等[1-2]。再之,采用傳統以模型試驗為主的開發過程,不僅成本高和周期長,而且對解決這類離心泵的流體動力性能優化并不十分有效。因此,非常有必要探索在設計過程中根據工作參數和性能要求,采用基于性能預測的優化設計方法來有效控制流道的幾何形狀和參數以達到流體動力性能要求,以解決這類低比轉速雙吸離心泵的研發過程中的流體動力設計目前存在的問題,對實現大型主油泵技術的全部國產化和自主創新等有重要意義。

              本文針對國內大型汽輪機組配套的“主油泵與油渦輪增壓泵”供油系統優化的工程需要,首先對引進的600MW汽輪機組配套的主油泵進行全流道三維流場數值模擬及性能預測,通過將預測計算與試驗結果進行對比分析,驗證在主油泵優化設計中采用基于多工況流場數值模擬的性能預測方法的可靠性。然后,以某300MW汽輪機組配套的主油泵改造為優化設計對象,探索采用基于流場數值模擬的性能預測的主油泵優化設計技術。

              1 基于數值模擬和性能預測的流體動力優化設計方法

              在運行過程中的主油泵內部流動是非常復雜的不定常全三維粘性湍流流動,而主油泵的過流表面多為復雜曲面,致使其過流部件的流體動力設計非常困難。在葉片式泵中,多年來國內外主要是采用在不同程度上簡化模型進行多方案設計過流部件,依靠模型試驗來驗證外特性和依靠經念反復修改過流部件設計來達到要求的流體動力性能。這種傳統的研究開發方式不僅周期長,而且成本較高。如何在設計過程中按所要求的流體動力性能,從設計方法和設計手段上自動設計出滿足流體動力性能最優而又能滿足結構、剛度、強度和制造工藝及其他方面的要求的過流部件的流道,這是主油泵流體動力優化設計的關鍵問題之一。

              要進行流體動力優化設計,必須對其過流部件內部流場進行深入研究,然而對于如主油泵這類葉輪機械內部流場實測仍然非常困難,采用數值模擬內部流場作為優化設計的基礎是一條切實可行的技術途徑。隨著CFD(ComputationalFluidDynamics)技術在解決葉片式流體機械的正問題中得到廣泛應用,用數值試驗取代傳統模型試驗來進行性能預測成為可能。文獻[3]介紹了一種基于全流道流場數值模擬和性能預測技術的水輪機流體動力優化設計方法。該方法采用傳統的簡化設計方法進行流道初步設計、或者參考已有模型來構造初始三維空間流道,在水輪機流體動力設計過程實現“初步設計—數值模擬試驗—修改設計”的基于性能預測的優化設計。文獻[4-5]介紹采用該方法解決老電站的水輪機改造的過流部件流體動力設計問題。國內的東方電機股份有限公司、哈爾濱大電機研究所等采用該優化設計方法,也已解決了許多電站的水輪機水力設計問題,取得了很好的效果。國外GEHydro公司采用自行開發出了BBX交互葉片設計軟件與CFX-TascFlow進行流場數值模擬分析和性能預測評估相結合,已設計出一些高性能的水輪機轉輪,如用于長江三峽等大型水電站的大型混流式水輪機,轉輪直徑已近10m,容量達700MW,最優工作點的效率已超過96%。水輪機和葉片式泵是可逆式機械,這些理論和方法在葉片泵也可逐步得到推廣應用。

              基于性能預測的流體動力優化設計過程包括“初步設計階段—流場數值模擬和性能預測評估階段—以流場分布和預測結果修改流道設計階段”,其關鍵在如何根據流場模擬結果預測出其外特性指標和保證預測結果的準確性,及如何根據三維流場的分布采用數字化設計手段來修改流道設計。在水輪機行業采用基于流場數值模擬的性能預測技術,其預測精度已達到[7]:在±15%負荷范圍內,最大效率預估誤差達±1.25%;在±10%負荷范圍內,最大效率誤差為±0.9%。這表明在設計階段,性能預測技術已具有較高的準確度來評估設計?;谛阅茴A測的流體動力優化設計過程與傳統葉片式泵的設計過程的主要差別在于充分利用三維流場數值模擬技術和數字化設計手段,以數值模擬試驗方法取代傳統模型試驗來評估設計,并在設計過程中預測和有效控制流體動力性能。在設計方法和手段上除了大大縮短了開發周期和降低開發成本外,還有許多傳統設計過程中很難實現的技術。如通過全三維粘性流動分析,能夠精確地分析和了解內部流場分布,根據內部流場分布情況從專業分析后對各個過流部件幾何形狀和尺寸進行優化。在設計過程中可以預估和控制所設計的機器在可能運行范圍內的流體動力性能,實現多工況下的優化設計。本文利用數字化設計技術來設計主油泵初始流道的三維幾何模型,采用Fluent?軟件進行全流道三維流場計算模擬,在流場數值模擬的基礎上進行性能預測,在多工況性能預測性能的基礎上進行主油泵流道修改和優化設計。

              2 主油泵內部流場數值模擬及性能預測方法

              2.1 主油泵內部流動的基本方程

              主油泵是一類單級雙吸離心泵,其內部流場是非常復雜的不定常全三維粘性湍流流動。目前對于湍流的數值模擬求解方法可以分為直接數值模擬和非直接數值模擬方法。由于主油泵其內部流動是高度復雜的非線性湍流流動,廣泛采用非直接數值模擬方法。雷諾時均方程法是目前工程上廣泛采用的一種典型非直接數值模擬方法。針對流場特點,雷諾時均方程法中又可采用不同的湍流模型,考慮到主油泵內部流動和流道特點,經過大量數值試驗表明,在主油泵內部流場采用RNG k-ε湍流模型可獲得與實際情況吻合好的結果[7],關于該湍流模型的基本方程可參見文獻[8]。

              2.2 主油泵內部全流道流場數值模擬方法

              主油泵的流道由吸入室、雙吸離心葉輪、蝸殼組成,其內部流場的數值模擬是流體動力性能預測的基礎。在主油泵內部存在著由于葉輪轉動產生的動靜干擾的三維非定常湍流流動,采用RNG k-ε湍流模型,目前一些先進的商業CFD軟件根據旋轉機械流道特點,考慮轉子和定子之間的相互作用的強弱程度來進行簡化計算模型,使得轉動和非轉動部分聯合計算成為可能。根據主油泵的流道特點、葉輪和蝸殼、吸入室之間的相互作用相對較弱,在流場數值模擬時采用多參考系模型(MRF)來進行主油泵的內部流場數值模擬可獲得較好的準確性。關于MRF模型的理論和方法可參見文獻[8]。對于主油泵,可以定義一個包括葉輪及其周圍流體的旋轉區域,并以葉輪旋轉軸為旋轉參照系的軸線定義旋轉參照系,對旋轉區域以外的蝸殼內流體、吸入室的流體使用靜止參照系。在兩參照系的交界面上作了穩態流動條件假定,也就是說對于每個參照系其交界面上的絕對速度是相同的,而且網格不移動。

              將數字化設計的主油泵流道的三維幾何模型導入GAMBIT進行計算區域離散后,再用Fluent軟件按MRF模型定義并進行流場數值計算?;居嬎惴椒ㄈ缦?選用顯式分離式求解器、RNGk-ε湍流模型、標準壁面處理函數,壓力和速度耦合方式選用SIMPLE算法;連續性方程、動量方程、湍動能方程和湍動能耗散方程均采用二階迎風格式離散計算。

              2.3 主油泵的流體動力性能預測方法

              通過對全流道流場數值模擬,可得到油泵內部流場的靜壓、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流道固體壁面上的壓力分布等內特性?;谶@些流場數值模擬結果,可以計算油泵的相關外特性參數。根據各計算工況給定流量和進口壓力來計算出油泵的進出口壓力差、作用在葉輪上的壓力矩、流體摩擦力矩,從而預測油泵的需要輸入的軸功率及流體動力學效率等。

              油泵的需要輸入的軸功率為:Pi=Mzω (1)

              油泵的輸出的流體動力功率:Po=ΔpQ (2)

              流體動力效率為:ηh=PoPi (3)

              式中,ηh為流體動力學效率;Δp為主油泵的進出口壓力差;Q為流量;Mz為流體作用在葉輪固體壁面上力產生繞旋轉軸的力矩;ω為葉輪繞旋角速度。

              在性能預測計算時,可以模擬油泵的模型試驗過程。通過改變流量、轉速來確定各計算工況,實現多工況的性能預測計算流場。在正常運行時,主油泵的轉速可以視為為恒定的,只需改變流量便確定各計算工況。根據實際運行情況,流量的變化范圍最好在60%~140%的設計流量,并按基本等步長取5~8個計算工況。對每個計算工況進行流場數值模擬。通過對主油泵的吸入室的進口斷面的總壓和蝸殼出口斷面的總壓按面積加權平均作為主油泵的進出口壓力并計算出Δp,可以預測出主油泵的“流量-揚程”曲線。根據流場的壓力分布計算出作用在葉輪繞旋轉軸的壓力矩Mz,可預測出“流量-壓力矩”曲線。根據流場的壓力分布計算出作用在葉輪繞旋轉軸方向上合力,可預測出“流量-軸向力”曲線。根據“流量-壓力矩”曲線,按式(1)計算主油泵的輸入軸功率,便可預測出“流量-軸功率”曲線。再按式(2)和式(3)計算主油泵的流體動力效率,便可預測出“流量-流體動力效率”曲線。需要強調的是本方法不僅通過數值試驗取代傳統的模型試驗,而且可以深入了解每個模擬工況的流速、壓力分布等,還可計算出各過流部件的流體動力損失。通過各工況下的流體動力損失分布,可評估在各模擬工況各過流部件的匹配情況。根據內部流場的分布狀況,可以判斷各過流部件流道幾何參數的合理性,從而根據專業理論采用數字化設計方法[8]來修改流道設計。

              3 性能預測方法的驗證為了驗證

              如上所述的性能預測方法的準確度,對某電站引進的600MW機組配套的主油泵采用上述方法進行數值模擬和性能預測,以驗證方法的可行性和可靠性。該主油泵的設計參數:入口油壓:0.1MPa;出口油壓:1.37MPa;額定流量:5700L/min;額定轉速:n=3000rpm;工作介質為22#透平油,運行時的油溫度為:50~60℃。油泵采用葉片進口邊扭曲度較大的三元葉輪,變圓弧斷面螺旋型蝸殼流道。

              首先,不改變主油泵轉速,通過改變主油泵的流量來模擬主油泵實際運行工況,預測結果見表1。再為了配合變轉速試驗,了解變轉速情況下油泵性能,對于Q=5700L/min,按-10%~120%的額定轉速分別計算流場和預測性能。圖1為該主油泵預測“壓力-流量”(p~Q)曲線與試驗結果比較,圖2為該主油泵預測“軸功率-流量”(N~Q)曲線與試驗結果比較。從圖1、圖2可見,在設計工況附近(80%~120%設計流量)預測與試驗結果的相對誤差在±15%以內。預測的出口壓力比試驗結果稍微高一點,因為模擬過程中很難準確考慮制造的表面粗造度。證明了前述的方法是可行和可靠的,可以用于主油泵的優化設計過程中評估性能。表1 根據流場數值模擬進行性能預測結果(n=3000rpm)流量/L/min進出口壓力差/MPa壓力矩/N.m流體摩擦力矩/N.m軸功率/kW效率/%7500 1.085 589.32 18.16 190.85 71.076500 1.284 557.79 15.01 179.95 77.305700 1.355 524.56 13.79 169.13 76.115000 1.445 493.68 12.18 158.92 75.774000 1.495 433.95 11.17 139.84 71.27圖1 預測p-Q曲線與試驗結果比較圖2 預測(N-Q)曲線與試驗結果比較

              4 主油泵流道優化設計實例

              某裝有單機300MW機組電站,其配套主油泵流道為前蘇聯設計。主油泵的設計工況:入口油壓:0.1MPa;出口油壓:1.8MPa;額定流量:3447L/min;額定轉速:n=3000rpm;工作介質為22#透平油,運行時的油溫度為:50~60℃。該油泵為單級雙吸離心泵,其比轉速大約為ns=35。因其效率低(最優工況為52%),需進行技術改造[7]。結合工程實際需要,采用基于性能預測的優化設計方法,在保持運行參數不變的情況下對流道進行優化設計。首先采用上節的方法對原主油泵流道進行全流道流場數值模擬和性能預測,并與試驗結果比較(見圖7、圖8),進一步驗證基于全流道流場數值模擬的性能預測方法的可靠性??紤]到原主油泵的效率指標偏低,提高效率是優化設計的主要目標,其次再盡可能減小結構尺寸。因為600MW機組的主油泵的效率較高,參考600MW機組的主油泵的流場分布來優化設計300MW機組的主油泵的流道。然后,根據原主油泵流道流場分布情況仔細分析,采用基于性能預測的方法來進行流道優化設計,按照葉輪出口寬度b2,葉片出口角β2,葉輪出口直徑D2組合多個方案來設計葉輪和相匹配的蝸殼流道,再通過流場數值模擬和性能預測結果優先方案,先后設計了3個方案。對于每個方案在設計工況為Q=3500L/min時進行流場數值模擬分析比較,確定初步方案參數β2=30°、b2=19mm、D2=378mm。針對該初步方案的流道,參考600MW機組的主油泵葉片進口角分布來優化葉片進口邊形狀,并進行多工況流場數值模擬和性能預測。根據預測結果分析,并采用數字化設計技術適當修改葉片設計,再進行流場數值模擬和性能預測就得到滿足300MW機組的主油泵運行性能要求的流道設計。新設計的葉輪如圖3所示,制造的新設計的葉輪如圖4所示。數值模擬的全流道計算區域如圖5所示,流在設計工況下的葉片表面壓力分布見圖6所示。對優化后流道進行全流道流場數值模擬和性能預測,并與原300MW機組的主油泵試驗結果進行比較(見圖7、圖8)。圖3 優化設計后的葉輪3D模型圖4 優化設計后的葉輪實物照片圖5 300MW機組的主油泵整體流道(1/2對稱)圖6 優化設計后的葉片表面應力分布圖7 300MW機組的主油泵優化設計前后的軸功率對比圖8 300MW機組的主油泵優化設計前后的效率對比

              優化設計方案在整個運行范圍的揚程都有提高,在Q=2600~5000L/min范圍內,效率平均提高18%左右。在大流量區域,提高20%左右。在Q=2600~5000L/min范圍內,輸入軸功率平均減少55kW左右,有明顯的節能效益。

              5 結束語

              基于流場數值模擬的性能預測的離心泵優化設計技術是以流體動力設計理論、數字化設計技術、CFD技術等為基礎并相互結合發展起來的新設計技術。其關鍵技術在多工況的全流道三維流場數值模擬和性能預測,以數值試驗取代傳統模型試驗來實現泵的流體動力優化設計方法。本項目結合大型汽輪機組配套的主油泵優化工程的需要,成功地將該技術應用于具有超低比轉速的單級雙吸離心主油泵的優化設計過程中。通過將預測計算與試驗結果進行對比分析,在設計工況附近(80%~120%設計流量),預測與試驗結果的相對誤差在±1.5%以內,其預測結果在設計過程中可以取代傳統模型試驗作為性能評估的手段。驗證了基于多工況流場數值模擬的性能預測方法的可靠性,探索出了采用基于多工況流場數值模擬的性能預測的主油泵優化設計技術。通過工程應用表明,在主油泵產品開發過程中采用該技術比傳統方式具有很多明顯的優點,除了大大縮短了開發周期和降低開發成本外,還有許多依靠傳統模型試驗很難實現的技術。采用該技術后,能夠在精確地分析和了解內部流場分布基礎上對各個過流部件幾何形狀和尺寸優化提供更準確的指導,能夠在設計過程中可以預估所設計的機器在可能運行范圍內的流體動力性能及實現多工況協同優化設計、有效控制運行范圍內的穩定性等。該優化設計技術可以進一步推廣到其它葉片式泵的流體動力設計,將會取得更大的技術和經濟效益。


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