1、前言

　　目前,國內(nèi)外現(xiàn)在對大型火電和核電站廣泛采用“主油泵、油渦輪與升壓泵”組成其供油系統(tǒng),主油泵的升壓比高達15～18倍,流量達到5500～9500L/min,“p-Q”特性曲線平坦。而對于這類離心泵,若采用傳統(tǒng)的設計方法將存在以下的主要問題: (1)效率偏低; (2)“揚程- 流量”特性曲線易出現(xiàn)駝峰,造成運行時不穩(wěn)定現(xiàn)象; (3)軸功率曲線隨流量增加而迅速增加,在大流量區(qū)域運行易產(chǎn)生過載等。并且傳統(tǒng)開發(fā)過程以模型試驗為主,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(yōu)化并不十分有效。因此,基于性能預測的優(yōu)化設計方法廣泛地使用在這類低比轉速雙吸離心泵的研發(fā)過程中,以解決目前設計中存在的問題 。

　　本文根據(jù)某660MW大型汽輪發(fā)電機組運行時對油系統(tǒng)的參數(shù)要求,在盡量保證其鑄件和結構改變量小的前提下,并能滿足新油系統(tǒng)運行參數(shù)要求的約束條件下采用加大流量設計法對原600MW汽輪機組配套的主油泵進行流道改型設計,利用CFD技術對改型設計進行性能預測,并對預測結果進行分析,進一步完善改型設計,達到了大型汽輪發(fā)電機組的主油泵改型及優(yōu)化設計的目標。

2、主油泵改型前后的參數(shù)與要求

2.1　主油泵改型前的參數(shù)

　　600MW汽輪機組配套的主油泵其工況參數(shù)及流體介質參數(shù)如表1所示,流道主要幾何參數(shù)如表2所示。

表1　改型前主油泵的工況參數(shù)及介質參數(shù)

表2　改型前主油泵的主要幾何參數(shù)

2.2、主油泵改型后的要求

　　設計流量Q=6300L/min,進出口壓力差p=1.30MPa,效率η≥72%,轉速保持不變,輸送液體的密度和粘度不變,改型后的主油泵“p-Q ”特性曲線平坦。并且在不改變原主油泵外形尺寸的基礎上,盡量保證原有的鑄件能在新油泵中使用。

3、改型設計

　　通過對600MW機組配套的主油泵進行現(xiàn)場測試、理論分析和多工況性能預測的基礎上,采用加大流量設計法對給定的設計流量和比速進行放大,用放大了的流量和比速來設計一臺較大的泵,使其最高效率和設計點效率提高,從而使整個范圍內(nèi)的平均效率得到提高。同時改變?nèi)~輪和泵體完成主油泵流道的改型設計,使其滿足在原設計工況流量增大15%左右的條件下,泵在大流量范圍內(nèi)的進出口壓力差適當有所上升,原“p—Q”曲線向右移的要求。

3.1、改變?nèi)~輪參數(shù)

　　要實現(xiàn)高效點向大流量偏移,需使改型設計的泵特性曲線變得平坦。其主要方法有: (1)增大葉輪出口寬度; (2)增大葉輪出口安放角; (3)增大葉輪出口排擠系數(shù)等。同時,為了保證改型設計的泵在大流量范圍內(nèi)的進出口壓力差適當有所上升,葉輪出口直徑必須加大。

3.2、改變泵體參數(shù)

　　要使泵體與改型后的葉輪匹配,泵體參數(shù)如壓水室的進口寬度、基圓直徑、泵體喉部面積等相應地應發(fā)生變化,以滿足原設計工況流量增大15%后的流動要求。

3.3、改型設計結果

　　通過改變?nèi)~輪與泵體的相應參數(shù),采用多工況的數(shù)值模擬和性能預測的方法,經(jīng)過多方案的比較,最終確定增大葉輪的出口直徑、出口寬度、葉片出口角、擴大泵腔以及改變蝸殼型腔的方案,完成改型設計。其流道結構如圖1所示,改型優(yōu)化后的各主要幾何參數(shù)如表3所示。

(a) 　葉輪及腔體流道結構 (b) 　蝸殼流道結構

圖1　改型前后流道結構示意

表3　改型后主油泵的各主要幾何參數(shù)

4、數(shù)值模擬

4.1、幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

　　利用三維建模軟件UG進行全流道三維建模,并在Fluent軟件的前處理模塊Gambit中,采用非結構化的4面體網(wǎng)格,完成計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,為保證流動計算的連續(xù)性,對不同的過流部件采用滑移網(wǎng)格技術進行網(wǎng)格連接。其網(wǎng)格如圖2所示,網(wǎng)格總數(shù)為952907。

圖2　主油泵全流道計算網(wǎng)格

4.2、數(shù)值模擬

　　數(shù)值模擬中計算模型選擇RNG k-ε湍流模型,采用壓力———速度校正方法, 即SIMPLE算法,求解三維定常雷諾時均N-S方程。計算時,進口按設計流速給定;出口按流動充分發(fā)展條件給定,即所有變量的擴散通量都為0;在固體邊壁取無滑移邊界條件,采用壁面函數(shù)法對近壁區(qū)流動進行處理。