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高品重科基于性能预测的主油泵优化设计

更新时间:2017-03-04 09:56:44   点击量:

  主油泵是汽轮机组的供油系统中重要设备之一,作为供油系统的动力源,其性能对于汽轮发电机组的安全运行有决定性的影响。随着汽轮机组单机组容量的不断增加,对汽轮机组的油系统的适应性和可靠性要求也不断提高,同时对主油泵的设计提出了更大的挑战。随着汽轮机组朝着巨型化方向迅速发展,不仅要求其主油泵具有大流量,而且要求在较宽的运行工况范围内具有高效率、高稳定性和高可靠性[1]。在大型火电和核电站中,国内外现在都广泛采用“主油泵与油涡轮增压泵”组成的供油系统,然而目前与国内600MW、1000MW汽轮机机组配套的主油泵的流体动力设计模型主要是从国外引进的。为了满足大型汽轮机组油系统的需要,要求这类主油泵的升压比高达15~20倍,流量达到5500~10000L/min,“p-Q”特性曲线平坦。为了满足工作参数要求,一般采用超低比转速的单级双吸离心泵(其比转速常低于40)。对于这类主油泵,若采用传统的离心泵设计方法将存在如下主要问题:①效率偏低,如国内300MW汽轮机组配套的主油泵主要是前苏联技术,其运行的效率低于50%;②“扬程-流量”(“p-Q”)特性曲线易出现驼峰,造成运行时不稳定现象;③轴功率曲线随流量增加而迅速增加,在大流量区域运行易产生过载等[1-2]。再之,采用传统以模型试验为主的开发过程,不仅成本高和周期长,而且对解决这类离心泵的流体动力性能优化并不十分有效。因此,非常有必要探索在设计过程中根据工作参数和性能要求,采用基于性能预测的优化设计方法来有效控制流道的几何形状和参数以达到流体动力性能要求,以解决这类低比转速双吸离心泵的研发过程中的流体动力设计目前存在的问题,对实现大型主油泵技术的全部国产化和自主创新等有重要意义。

  本文针对国内大型汽轮机组配套的“主油泵与油涡轮增压泵”供油系统优化的工程需要,首先对引进的600MW汽轮机组配套的主油泵进行全流道三维流场数值模拟及性能预测,通过将预测计算与试验结果进行对比分析,验证在主油泵优化设计中采用基于多工况流场数值模拟的性能预测方法的可靠性。然后,以某300MW汽轮机组配套的主油泵改造为优化设计对象,探索采用基于流场数值模拟的性能预测的主油泵优化设计技术。

  1 基于数值模拟和性能预测的流体动力优化设计方法

  在运行过程中的主油泵内部流动是非常复杂的不定常全三维粘性湍流流动,而主油泵的过流表面多为复杂曲面,致使其过流部件的流体动力设计非常困难。在叶片式泵中,多年来国内外主要是采用在不同程度上简化模型进行多方案设计过流部件,依靠模型试验来验证外特性和依靠经念反复修改过流部件设计来达到要求的流体动力性能。这种传统的研究开发方式不仅周期长,而且成本较高。如何在设计过程中按所要求的流体动力性能,从设计方法和设计手段上自动设计出满足流体动力性能最优而又能满足结构、刚度、强度和制造工艺及其他方面的要求的过流部件的流道,这是主油泵流体动力优化设计的关键问题之一。

  要进行流体动力优化设计,必须对其过流部件内部流场进行深入研究,然而对于如主油泵这类叶轮机械内部流场实测仍然非常困难,采用数值模拟内部流场作为优化设计的基础是一条切实可行的技术途径。随着CFD(ComputationalFluidDynamics)技术在解决叶片式流体机械的正问题中得到广泛应用,用数值试验取代传统模型试验来进行性能预测成为可能。文献[3]介绍了一种基于全流道流场数值模拟和性能预测技术的水轮机流体动力优化设计方法。该方法采用传统的简化设计方法进行流道初步设计、或者参考已有模型来构造初始三维空间流道,在水轮机流体动力设计过程实现“初步设计—数值模拟试验—修改设计”的基于性能预测的优化设计。文献[4-5]介绍采用该方法解决老电站的水轮机改造的过流部件流体动力设计问题。国内的东方电机股份有限公司、哈尔滨大电机研究所等采用该优化设计方法,也已解决了许多电站的水轮机水力设计问题,取得了很好的效果。国外GEHydro公司采用自行开发出了BBX交互叶片设计软件与CFX-TascFlow进行流场数值模拟分析和性能预测评估相结合,已设计出一些高性能的水轮机转轮,如用于长江三峡等大型水电站的大型混流式水轮机,转轮直径已近10m,容量达700MW,最优工作点的效率已超过96%。水轮机和叶片式泵是可逆式机械,这些理论和方法在叶片泵也可逐步得到推广应用。

  基于性能预测的流体动力优化设计过程包括“初步设计阶段—流场数值模拟和性能预测评估阶段—以流场分布和预测结果修改流道设计阶段”,其关键在如何根据流场模拟结果预测出其外特性指标和保证预测结果的准确性,及如何根据三维流场的分布采用数字化设计手段来修改流道设计。在水轮机行业采用基于流场数值模拟的性能预测技术,其预测精度已达到[7]:在±15%负荷范围内,最大效率预估误差达±1.25%;在±10%负荷范围内,最大效率误差为±0.9%。这表明在设计阶段,性能预测技术已具有较高的准确度来评估设计。基于性能预测的流体动力优化设计过程与传统叶片式泵的设计过程的主要差别在于充分利用三维流场数值模拟技术和数字化设计手段,以数值模拟试验方法取代传统模型试验来评估设计,并在设计过程中预测和有效控制流体动力性能。在设计方法和手段上除了大大缩短了开发周期和降低开发成本外,还有许多传统设计过程中很难实现的技术。如通过全三维粘性流动分析,能够精确地分析和了解内部流场分布,根据内部流场分布情况从专业分析后对各个过流部件几何形状和尺寸进行优化。在设计过程中可以预估和控制所设计的机器在可能运行范围内的流体动力性能,实现多工况下的优化设计。本文利用数字化设计技术来设计主油泵初始流道的三维几何模型,采用Fluent?软件进行全流道三维流场计算模拟,在流场数值模拟的基础上进行性能预测,在多工况性能预测性能的基础上进行主油泵流道修改和优化设计。

  2 主油泵内部流场数值模拟及性能预测方法

  2.1 主油泵内部流动的基本方程

  主油泵是一类单级双吸离心泵,其内部流场是非常复杂的不定常全三维粘性湍流流动。目前对于湍流的数值模拟求解方法可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟方法。由于主油泵其内部流动是高度复杂的非线性湍流流动,广泛采用非直接数值模拟方法。雷诺时均方程法是目前工程上广泛采用的一种典型非直接数值模拟方法。针对流场特点,雷诺时均方程法中又可采用不同的湍流模型,考虑到主油泵内部流动和流道特点,经过大量数值试验表明,在主油泵内部流场采用RNG k-ε湍流模型可获得与实际情况吻合好的结果[7],关于该湍流模型的基本方程可参见文献[8]。

  2.2 主油泵内部全流道流场数值模拟方法

  主油泵的流道由吸入室、双吸离心叶轮、蜗壳组成,其内部流场的数值模拟是流体动力性能预测的基础。在主油泵内部存在着由于叶轮转动产生的动静干扰的三维非定常湍流流动,采用RNG k-ε湍流模型,目前一些先进的商业CFD软件根据旋转机械流道特点,考虑转子和定子之间的相互作用的强弱程度来进行简化计算模型,使得转动和非转动部分联合计算成为可能。根据主油泵的流道特点、叶轮和蜗壳、吸入室之间的相互作用相对较弱,在流场数值模拟时采用多参考系模型(MRF)来进行主油泵的内部流场数值模拟可获得较好的准确性。关于MRF模型的理论和方法可参见文献[8]。对于主油泵,可以定义一个包括叶轮及其周围流体的旋转区域,并以叶轮旋转轴为旋转参照系的轴线定义旋转参照系,对旋转区域以外的蜗壳内流体、吸入室的流体使用静止参照系。在两参照系的交界面上作了稳态流动条件假定,也就是说对于每个参照系其交界面上的绝对速度是相同的,而且网格不移动。

  将数字化设计的主油泵流道的三维几何模型导入GAMBIT进行计算区域离散后,再用Fluent软件按MRF模型定义并进行流场数值计算。基本计算方法如下:选用显式分离式求解器、RNGk-ε湍流模型、标准壁面处理函数,压力和速度耦合方式选用SIMPLE算法;连续性方程、动量方程、湍动能方程和湍动能耗散方程均采用二阶迎风格式离散计算。

  2.3 主油泵的流体动力性能预测方法

  通过对全流道流场数值模拟,可得到油泵内部流场的静压、动压、流速大小及各分量矢量分布、流动迹线及流体作用在油泵流道固体壁面上的压力分布等内特性。基于这些流场数值模拟结果,可以计算油泵的相关外特性参数。根据各计算工况给定流量和进口压力来计算出油泵的进出口压力差、作用在叶轮上的压力矩、流体摩擦力矩,从而预测油泵的需要输入的轴功率及流体动力学效率等。

  油泵的需要输入的轴功率为:Pi=Mzω (1)

  油泵的输出的流体动力功率:Po=ΔpQ (2)

  流体动力效率为:ηh=PoPi (3)

  式中,ηh为流体动力学效率;Δp为主油泵的进出口压力差;Q为流量;Mz为流体作用在叶轮固体壁面上力产生绕旋转轴的力矩;ω为叶轮绕旋角速度。

  在性能预测计算时,可以模拟油泵的模型试验过程。通过改变流量、转速来确定各计算工况,实现多工况的性能预测计算流场。在正常运行时,主油泵的转速可以视为为恒定的,只需改变流量便确定各计算工况。根据实际运行情况,流量的变化范围最好在60%~140%的设计流量,并按基本等步长取5~8个计算工况。对每个计算工况进行流场数值模拟。通过对主油泵的吸入室的进口断面的总压和蜗壳出口断面的总压按面积加权平均作为主油泵的进出口压力并计算出Δp,可以预测出主油泵的“流量-扬程”曲线。根据流场的压力分布计算出作用在叶轮绕旋转轴的压力矩Mz,可预测出“流量-压力矩”曲线。根据流场的压力分布计算出作用在叶轮绕旋转轴方向上合力,可预测出“流量-轴向力”曲线。根据“流量-压力矩”曲线,按式(1)计算主油泵的输入轴功率,便可预测出“流量-轴功率”曲线。再按式(2)和式(3)计算主油泵的流体动力效率,便可预测出“流量-流体动力效率”曲线。需要强调的是本方法不仅通过数值试验取代传统的模型试验,而且可以深入了解每个模拟工况的流速、压力分布等,还可计算出各过流部件的流体动力损失。通过各工况下的流体动力损失分布,可评估在各模拟工况各过流部件的匹配情况。根据内部流场的分布状况,可以判断各过流部件流道几何参数的合理性,从而根据专业理论采用数字化设计方法[8]来修改流道设计。

  3 性能预测方法的验证为了验证

  如上所述的性能预测方法的准确度,对某电站引进的600MW机组配套的主油泵采用上述方法进行数值模拟和性能预测,以验证方法的可行性和可靠性。该主油泵的设计参数:入口油压:0.1MPa;出口油压:1.37MPa;额定流量:5700L/min;额定转速:n=3000rpm;工作介质为22#透平油,运行时的油温度为:50~60℃。油泵采用叶片进口边扭曲度较大的三元叶轮,变圆弧断面螺旋型蜗壳流道。

  首先,不改变主油泵转速,通过改变主油泵的流量来模拟主油泵实际运行工况,预测结果见表1。再为了配合变转速试验,了解变转速情况下油泵性能,对于Q=5700L/min,按-10%~120%的额定转速分别计算流场和预测性能。图1为该主油泵预测“压力-流量”(p~Q)曲线与试验结果比较,图2为该主油泵预测“轴功率-流量”(N~Q)曲线与试验结果比较。从图1、图2可见,在设计工况附近(80%~120%设计流量)预测与试验结果的相对误差在±15%以内。预测的出口压力比试验结果稍微高一点,因为模拟过程中很难准确考虑制造的表面粗造度。证明了前述的方法是可行和可靠的,可以用于主油泵的优化设计过程中评估性能。表1 根据流场数值模拟进行性能预测结果(n=3000rpm)流量/L/min进出口压力差/MPa压力矩/N.m流体摩擦力矩/N.m轴功率/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图1 预测p-Q曲线与试验结果比较图2 预测(N-Q)曲线与试验结果比较

  4 主油泵流道优化设计实例

  某装有单机300MW机组电站,其配套主油泵流道为前苏联设计。主油泵的设计工况:入口油压:0.1MPa;出口油压:1.8MPa;额定流量:3447L/min;额定转速:n=3000rpm;工作介质为22#透平油,运行时的油温度为:50~60℃。该油泵为单级双吸离心泵,其比转速大约为ns=35。因其效率低(最优工况为52%),需进行技术改造[7]。结合工程实际需要,采用基于性能预测的优化设计方法,在保持运行参数不变的情况下对流道进行优化设计。首先采用上节的方法对原主油泵流道进行全流道流场数值模拟和性能预测,并与试验结果比较(见图7、图8),进一步验证基于全流道流场数值模拟的性能预测方法的可靠性。考虑到原主油泵的效率指标偏低,提高效率是优化设计的主要目标,其次再尽可能减小结构尺寸。因为600MW机组的主油泵的效率较高,参考600MW机组的主油泵的流场分布来优化设计300MW机组的主油泵的流道。然后,根据原主油泵流道流场分布情况仔细分析,采用基于性能预测的方法来进行流道优化设计,按照叶轮出口宽度b2,叶片出口角β2,叶轮出口直径D2组合多个方案来设计叶轮和相匹配的蜗壳流道,再通过流场数值模拟和性能预测结果优先方案,先后设计了3个方案。对于每个方案在设计工况为Q=3500L/min时进行流场数值模拟分析比较,确定初步方案参数β2=30°、b2=19mm、D2=378mm。针对该初步方案的流道,参考600MW机组的主油泵叶片进口角分布来优化叶片进口边形状,并进行多工况流场数值模拟和性能预测。根据预测结果分析,并采用数字化设计技术适当修改叶片设计,再进行流场数值模拟和性能预测就得到满足300MW机组的主油泵运行性能要求的流道设计。新设计的叶轮如图3所示,制造的新设计的叶轮如图4所示。数值模拟的全流道计算区域如图5所示,流在设计工况下的叶片表面压力分布见图6所示。对优化后流道进行全流道流场数值模拟和性能预测,并与原300MW机组的主油泵试验结果进行比较(见图7、图8)。图3 优化设计后的叶轮3D模型图4 优化设计后的叶轮实物照片图5 300MW机组的主油泵整体流道(1/2对称)图6 优化设计后的叶片表面应力分布图7 300MW机组的主油泵优化设计前后的轴功率对比图8 300MW机组的主油泵优化设计前后的效率对比

  优化设计方案在整个运行范围的扬程都有提高,在Q=2600~5000L/min范围内,效率平均提高18%左右。在大流量区域,提高20%左右。在Q=2600~5000L/min范围内,输入轴功率平均减少55kW左右,有明显的节能效益。

  5 结束语

  基于流场数值模拟的性能预测的离心泵优化设计技术是以流体动力设计理论、数字化设计技术、CFD技术等为基础并相互结合发展起来的新设计技术。其关键技术在多工况的全流道三维流场数值模拟和性能预测,以数值试验取代传统模型试验来实现泵的流体动力优化设计方法。本项目结合大型汽轮机组配套的主油泵优化工程的需要,成功地将该技术应用于具有超低比转速的单级双吸离心主油泵的优化设计过程中。通过将预测计算与试验结果进行对比分析,在设计工况附近(80%~120%设计流量),预测与试验结果的相对误差在±1.5%以内,其预测结果在设计过程中可以取代传统模型试验作为性能评估的手段。验证了基于多工况流场数值模拟的性能预测方法的可靠性,探索出了采用基于多工况流场数值模拟的性能预测的主油泵优化设计技术。通过工程应用表明,在主油泵产品开发过程中采用该技术比传统方式具有很多明显的优点,除了大大缩短了开发周期和降低开发成本外,还有许多依靠传统模型试验很难实现的技术。采用该技术后,能够在精确地分析和了解内部流场分布基础上对各个过流部件几何形状和尺寸优化提供更准确的指导,能够在设计过程中可以预估所设计的机器在可能运行范围内的流体动力性能及实现多工况协同优化设计、有效控制运行范围内的稳定性等。该优化设计技术可以进一步推广到其它叶片式泵的流体动力设计,将会取得更大的技术和经济效益。


采购:高品重科




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