改进蜗壳离心泵设计和性能测试
目前,国内外现在对大型火电和核电站广泛采用“主油泵、油涡轮与升压泵”组成其供油系统,蜗壳离心泵主油泵的升压比高达15~18倍,流量达到5500~9500L/min,“p-Q”特性曲线平坦。而对于这类离心泵,若采用传统的设计方法将存在以下的主要问题:效率偏低;“扬程-流量”特性曲线易出现驼峰,造成运行时不稳定现象;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。并且传统开发过程以模型试验为主,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,基于性能预测的优化设计方法广泛地使用在这类低比转速双吸离心泵的研发过程中,以解决目前设计中存在的问题。
2.2、蜗壳离心泵主油泵改型后的要求
设计流量Q=6300L/min,进出口压力差p=1.30MPa,效率η≥72%,转速保持不变,输送液体的密度和粘度不变,改型后的主油泵“p-Q”特性曲线平坦。并且在不改变原主油泵外形尺寸的基础上,尽量保证原有的铸件能在新油泵中使用。
3、蜗壳离心泵改型设计
通过对600MW机组配套的主油泵进行现场测试、理论分析和多工况性能预测的基础上,采用加大流量设计法对给定的设计流量和比速进行放大,用放大了的流量和比速来设计一台较大的泵,使其zui率和设计点效率提高,从而使整个范围内的平均效率得到提高。同时改变叶轮和泵体完成主油泵流道的改型设计,使其满足在原设计工况流量增大15%左右的条件下,泵在大流量范围内的进出口压力差适当有所上升,原“p—Q”曲线向右移的要求。
3.1、改变叶轮参数
要实现点向大流量偏移,需使改型设计的泵特性曲线变得平坦。其主要方法有:(1)增大叶轮出口宽度;(2)增大叶轮出口安放角;(3)增大叶轮出口排挤系数等。同时,为了保证改型设计的泵在大流量范围内的进出口压力差适当有所上升,叶轮出口直径必须加大。
3.2、改变蜗壳离心泵参数
要使泵体与改型后的叶轮匹配,泵体参数如压水室的进口宽度、基圆直径、泵体喉部面积等相应地应发生变化,以满足原设计工况流量增大15%后的流动要求。
3.3、改型设计结果
通过改变叶轮与泵体的相应参数,采用多工况的数值模拟和性能预测的方法,经过多方案的比较,zui终确定增大叶轮的出口直径、出口宽度、叶片出口角、扩大泵腔以及改变蜗壳型腔的方案,完成改型设计。
4、数值模拟
4.1、几何模型建立及网格划分
利用三维建模软件UG进行全流道三维建模,并在Fluent软件的前处理模块Gambit中,采用非结构化的4面体网格,完成计算区域的网格划分,为保证流动计算的连续性,对不同的过流部件采用滑移网格技术进行网格连接。
4.2、数值模拟
数值模拟中计算模型选择RNGk-ε湍流模型,采用压力———速度校正方法,即SIMPLE算法,求解三维定常雷诺时均N-S方程。计算时,进口按设计流速给定;出口按流动充分发展条件给定,即所有变量的扩散通量都为0;在固体边壁取无滑移边界条件,采用壁面函数法对近壁区流动进行处理。
5、计算结果及分析
在相同转速n=3000r/min下,分别对Q=5000、5500、5700、6300、6600和7000L/min的6个工况进行了数值模拟,得到了各个工况下泵的内流场分布及性能预测结果。图3~5为改型的主油泵在设计工况(Q=6300L/min)下的压力和速度分布情况。
5.1、速压分布
从图3、4中可以看出,压力沿流道从进口到出口迅速提高,在叶片背面靠近进口处存在一小块低压区,这是因为流体绕流叶片头部时流体加速与流速转弯,造成局部损失,并且流体动能与压能的相互转化致使该区域压力下降,成为汽蚀易发生部位,这也与主油泵实际运行时易发生汽蚀的位置相吻合。蜗壳中压力变化均匀,能量转化变化明显,蜗壳隔舌处不存在压力集中区域,蜗壳出口压力达到设计要求。
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