基于結構分析的升壓油泵優化設計

楊林建，朱英，趙發賢

(1.四川工程職業技術學院，四川德陽618000;2.東方汽輪機集團公司，四川德陽618000)

主油泵是汽輪機組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，對汽輪機組油系統的適應性和可靠性的要求也不斷提高，同時對主油泵的設計提出了更大的挑戰。隨著汽輪機組朝巨型化方向迅速發展，不僅要求主油泵具有大流量，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。油泵系統作為火電和核電機組重要的組成部分之一，從國內外發展趨勢看，大功率汽輪機的機組大都采用“主油泵和油渦輪升壓泵供油系統”的設計和制造方式，而目前在國內該類油系統的關鍵部件主要從國外進口或引進國外技術生產。作者主要針對600 MW級機型的升壓油泵的系列關鍵技術進行研究。

升壓油泵性能對汽輪發電機組油系統的性能有決定性影響。大型汽輪機組油系統對升壓泵性能提出了非常嚴格的要求，不僅要求泵具有較高的效率和優良的空化性能，而且要求具有平坦的性能曲線和良好的變工況穩定性。升壓油泵的流體動力學設計是其核心技術。

1 過流部件型面分析與造型

依據主油泵流道設計方案，采用Unigraphics軟件對過流部件進行結構幾何造型和優化設計，采用該方案可以檢查流道設計表面光順性能，葉輪三維模型結構見圖1，葉輪計算區域設計模型見圖2。

圖1 葉輪三維模型結構并去掉一蓋板

圖2 葉輪計算區域設計模型

在建立葉輪和蝸殼內壁表面三維模型后，在GIMBIT 中分別將其流動區域設為空間體，對葉輪和蝸殼內壁表面進行有限元分析。

2 流道設計

經過計算和分析，油泵壓力分別選擇為:升壓油泵入口壓力為0，升壓油泵出口壓力為0.25 MPa，額定流量為5 800 L/min;額定轉速為1 600 r/min，該泵采用單級雙吸泵，按設計參數計算其比轉速大約為140 r/min，屬于高比轉數離心泵。流道幾何參數設計與計算結果見表1。

表1 升壓油泵幾何參數

升壓油泵流道設計包括葉輪、吸入室和蝸殼流道系統設計。吸入室為直錐管結構。葉輪包括軸面流道和葉片繪形設計，依據幾何參數，采用相應的設計軟件在各流面上繪形后組合成三元扭曲葉片。依據蝸殼設計的幾何參數，采用設計軟件設計出蝸殼流道單線圖。

2.1 葉輪的三維幾何造型

三維幾何造型是進行數值模擬的基礎，葉輪類零部件的幾何造型必須采用曲面造型技術。升壓油泵的葉輪為高比轉數離心三元葉輪，其葉片在空間上扭曲度大。在葉輪三維幾何造型時，應該注意到葉片曲面的準確性和光滑性問題。葉片和葉輪三維造型見圖3、4。

圖3 葉片三維造型

圖4 葉輪結構圖

2.2 計算區域的有限體積網格化

因升壓油泵放置在油箱中，油泵的計算區域以泵進口斷面作為設計基準。油泵進口斷面的壓力選取為0。升壓油泵葉輪的旋轉軸定義為z軸，雙吸葉輪中心對稱面取為z=0 平面。升壓油泵整體流道設計見圖5。

圖5 600 MW 升壓油泵整體流道

圖6 蝸殼的計算區域

在完成葉輪和蝸殼內壁表面三維造型的基礎上，在GIMBIT 中分別將其流動區域作成空間的體，葉輪和蝸殼內壁表面選擇為計算區域的固體表面。蝸殼的計算區域見圖6。

2.3 流場數值模擬工況

基于前面的流場數值模擬分析計算，可以計算出油泵的相關性能參數。根據各計算工況的給定流量和進口壓力，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，從而預測油泵需要輸入的軸功率及流體動力學效率等。流體動力學效率(不包括機械損失、容積損失)的計算方法:

式中:ηh為流體動力學效率;Δp為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。

為研究流道的優化設計，以便更好掌握600 MW機組升壓油泵內部流場狀況。并與日立公司提供的試驗結果對比，以驗證性能預測的準確性，其數值模擬工況與試驗工況一致，具體工況見表2。

表2 數值模擬工況

2.4 流場分布

通過流場數值模擬，可以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固體壁面上的壓力分布等。

為了節省篇幅，僅給出Q=5 729 L/min、n=1 568 r/min 流場工況的分布，其他流場工況的分布省略。各文件夾按流量命名，圖片為該流量工況下數值模擬計算后取得的壓力、速度矢量、流動跡線分布。后面的性能預測計算是以這些數值模擬計算結果為基礎。壓力分布、速度矢量分布、總壓力分布及軌跡分布分別見圖7—12。

圖7 葉片靜壓分布

圖8 油泵葉輪壁面上的靜壓分布

圖9 渦殼壁面上的靜壓分布

圖10 泵截面的速度矢量分布

圖11 油泵某截面的總壓分布

圖12 油泵某截面的跡線分布

3 結論

對600 MW機組的升壓泵進行研究，采用目前該領域的先進研究手段和技術，解決該類設備研制過程中所涉及的重要共性問題。

研究的大型機組能實現單機容量600 MW機組及其配套產品的大部分部件國產化設計和制造。設計的“主油泵供油系統”的系統效率經過計算和驗證大于49%，大大高于傳統的“主油泵與射油器組成的供油系統”的效率。

設計和優化的升壓泵可用于超臨界參數及常規的600 MW級的發電機型，可替代國外進口的部分產品，產生較大的經濟效益和社會效益。

目前，600 MW級機型仍為國內主要發電機型，該研究對國內發電設備制造技術和能源工業的進一步發展有重要的參考意義和一定的應用價值。

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