基于性能预测的低比转速主油泵改型及优化设计

摘要

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15～20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40)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己很难满足这些要求，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300Mw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，研究适合低比转速双吸离心泵的优化设计方法。结合国内某300MW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300MW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600MW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300MW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300MW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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的来源及名称

1.1.1课题来源

1.1.2课题名称

1.2课题研究的背景、目的及意义

1.2.1课题研究的背景

1.2.2课题研究的目的

1.2.3课题研究的意义

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

1.3.2主油泵的研究状况及发展趋势

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

1.5本文的主要研究内容

第二章主油泵全流道三维流场数值模拟方法

2.1引言

2.2流动控制方程

2.2.1连续方程

2.2.2动量方程

2.3紊流模型

2.4数值计算方法

2.5动静过流部件流动耦合方法

2.6边界条件

2.7数值计算的收敛判据

第三章主油泵流道的三维建模及网格生成

3.1引言

3.2三维建模

3.2.1三维建模的原理

3.2.2建模工具Gambit软件概述

3.2.3吸入室的三维建模

3.2.4叶轮的三维建模

3.2.5蜗壳的三维建模

3.2.6使用Gambit软件在离心泵几何建模中需要注意的问题

3.3网格划分

3.3.1网格的类型及其性能

3.3.2网格划分的几个基本原则

3.3.3网格质量分析

3.3.4网格质量控制技术

3.3.5主油泵的网格划分

第四章原300MW机组主油泵全流道数值模拟与性能预测

4.1引言

4.2流场数值模拟与内特性分析

4.2.1主油泵内特性分析方法

4.2.2吸入室

4.2.3叶轮

4.2.4蜗壳

4.3主油泵全工况的性能预测分析

4.3.1主油泵性能预测分析方法

4.3.2原主油泵性能预测计算结果

4.4性能预测结果与试验结果比较分析

4.5关于基于数值模拟的性能预测的正确性与可信度

第五章基于性能预测的主油泵改型及优化设计

5.1引言

5.2主油泵初步优化方案的确定

5.3基于性能预测的主油泵的优化设计

5.3.1基于性能预测的优化设计思想

5.3.2基于性能预测的各优化方案比较与分析

5.3.3优化改型设计的最终方案

5.4优化改型后的主油泵内部流场数值模拟与性能预测

5.4.1数值模拟

5.4.2性能预测分析

5.5优化改型前后的性能预测结果对比分析

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者硕士期间发表的论文

致谢