600MW超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第 4 1 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T0OL & HYDRAULI CS Oc t 2 01 3 Vo 1 41 No 1 9 DOI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 13 8 8 1 2 0 1 3 1 9 0 1 8 6 0 0 M W 超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计 梁卫兵 ，吴宝鑫 ，胡永海 ( 上海电力修造总厂有 限公 司，上海 2 0 1 3 1 6 ) 摘要：增加叶轮出口宽度是降低离心泵关断点扬程的典型方法。针对 6 0 0 MW超临界锅炉给水泵关断点扬程过高问题 ， 分别提出4种增加叶轮出口宽度的方式对其进行改型设计。对其中1种改型方案通过试验方法研究，其余 3种改型方案采 用 C F D方法研究。结果表明：采用移动前盖板 出口的方法降低关断点扬程的效果最佳 ，其水力性能参数优于其余 3种方 法 ，运行流量为 1 2 5 0 m h时，相比于平行移动前盖板方法效率增加 1 9 ；叶轮出口宽度变化比与扬程变化比在一定范 围内满足二次多项式回归关系。在此基础上，拟合出二次多项式方程。 关键词：叶轮出口宽度；6 0 0 MW超临界锅炉给水泵；关断点扬程 ；水力性能 中图分类号：S 2 7 7 9； T H3 1 1 文献标识码 ：A 文章编号：1 0 0 1 3 8 8 1( 2 0 1 3 )1 9 0 6 6 4 Op t i mi z a t i o n o f I mp e l l e r Ou t l e t W i d t h f o r 6 0 0 M W S u p e r c r i t i c a l Bo i l e r F e e d P u mp LI ANG W e i b i n g，W U Ba o x i n。HU Yo n g h a i ( S h a n g h a i P o w e r E q u i p m e n t Ma n u f a c t u r e C o ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 3 1 6，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r e i s a t y p i c a l me t h o d f o r h y d r a u l i c p e r f o r ma n c e o f c e n t r i f u g a l p u mp，w h i c h i s c a l l e d wi d t h i n c r e a s i n g o f i mp e l l e r o u t l e t F o u r me t h o d s o f i n c r e a s i n g i mp e l l e r o u t l e t w i d t h we r e p u t f o r w a r d a i mi n g a t 6 0 0 MW s u p e r c ri t i c al p r e s s u r e b o i l e r f e e d p u mp c u t o ff h e a d o v e r h i g h T e s t me t h o d w a s i n t r o d u c e d t o i n v e s t i g a t e o n e o f f o u r i n c r e a s i n g i mp e l l e r o u t l e t me t h o d s ，t h e o t h e r s w e r e u s e d C F D t o a n a l y z e Re s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e me t h o d o f mo v i n g f r o n d s h r o u d o u t l e t h a s t h e b e s t e ffe c t o n d e c r e a s i n g p u mp c u t o f f h e a d a n d h y - d r a u l i c p a r a me t e r s C o mp a r e d w i t h“ mo v i n g f r o n d s h r o u d”，u s i n g“mo v i n g f r o n d s h r o u d o u t l e t ”，e ffic i e n c y i s e n h a n c e d b y 1 9 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n w i d t h r a t i o a n d h e a d r a t i o c o u l d b e e x p r e s s e d b y q u a d r a t i c p o l y n o mi al r e g r e s s i o n，t h e n t h e q u a d r a t i c p o l y n o - mi a l e q u a t i o n w a s fi t Ke y wo r d s ：I mp e l l e r o u t l e t w i d t h； 6 0 0 MW s u p e r c rit i c al p r e s s u r e b o i l e r f e e d p u mp；C u t - o f f h e a d；Hy d r a u l i c p e rfo r manc e 叶轮出口宽度是离心泵的主要几何参数之一，随 着出口宽度的改变，扬程、效率也发生相应 的变化。 由于工程实践中经常用增加叶轮出口宽度的方法来调 整离心泵的性能曲线，因此，研究叶轮出口宽度对离 心泵性能影响至关重要 。尽管增加叶轮出口宽 度 ，理论 “ 流量 一扬程” 曲线斜率降低 ，同时，泵 高效点向大流量区域移动等结论已有研究成果 ，但迄 今为止，对于采用何种增加叶轮出口宽度的方式最为 合理尚无定论 ；叶轮出口宽度与泵水力性能参数的定 量研究还是空 白。 随着计算机技术以及计算流体力学等学科的飞速 发展，数值模拟与理论分析、试验研究等一起构成了 研究泵 内流 动 的重 要 方法 ，一方 面 可 以节 省 试验 资 源， 另一方面可以显示不能从试验工具中得出的流动 特性的细节 。 针对个别电厂用户要求降低 6 0 0 M W超临界锅炉 给水泵关 断点扬 程 ，以满 足 出 口管 路极 限 强度 的设 计 ，作者采用优化叶轮出口宽度的方法对该泵型进行 改型设计，分别提出 4种增加叶轮出口宽度的方法： 平行移动前盖板 ；平行移动后盖板；移动前盖板出 口；移动后盖板出口。基于平行移动前盖板的试验结 果，验证该计算方法应用在 6 0 0 M W 超临界机组锅炉 给水泵设计 中 的可行 性 。在此 基 础上 ，利 用 C F D技 术比较研究其余 3种叶轮出口宽度增加方式对降低关 断点扬程和水力性能方 面的差异性 ，并针对 最佳 的叶 轮出口增加方式拟合出口宽度增加量与关断点扬程降 低量的计算方程。 1 增加叶轮出口宽度方式比较 对 6 0 0 M W 超 临界锅炉给水泵叶轮分别采用 4种 增加 叶轮出 口宽度的方式改型设计 ，分别为 ：平行移 动前盖板；平行移动后盖板；移动前盖板出口；移动 后盖板出口。移动前后盖板出口旨在保证人口尺寸不 变的条件下完成，图1 、2给出 4种方法移动前后盖 板 的具体方式 图。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 91 2 作者简介：梁卫 兵 ( 1 9 5 9 一) ，男 ，大学 本科 ，高级 工 程师 ，研 究 方 向 为高 效锅 炉 给 水 泵。Em a i l ：l i a n g w b s pe m-c o nc a。 6 8 机床与液压 第 4 1卷 Q ( m h 、 ( a ) 扬 程 Ql ( m h l 、 ( b ) 效率 图5 增加 b 的叶轮计算结果和试验结果的对 比 3 4种叶轮 出口加宽方式比较 3 1 物理 模 型与计 算 方法 流场计算采用商用 C F D软件 A N S Y S C F X 1 3 0完 成 ，计算采用标准 一s湍流模 型 ，压力 和 速度 的耦 合采用 S I MP L E算法 。通过理论分 析发现 ：在旋转 坐 标 系下 ，雷诺应力 的表达式与惯性坐标系下不 同，但 湍动能方程是相同的。修正湍动能 为主要模型参数 的湍流模 型以提升非设计工况下 叶轮 内部流动进行 预 测时的精度 。 计算网格 采用 六 面体 网格 ，整个 计 算域 网格 在 1 0 0 万 以上。在 叶 片 近壁 面 、头 尾 缘 等 流 动复 杂 区 域 ，对网格局部加密以提高这些区域内的分辨率。边 界条件设定如下 ： 进 口压力为前置泵 出 口压力 即 2 5 MP a ；出 口采 用质量流量边界 ，叶片表面与前后盖板采用无滑移边 界条件 ；收敛标准定义为基于所有控制体的平均残差 下降至 l 0 ；进出口质量流量差在 0 1 以下。 3 2 4种 叶轮 出口宽度性 能 曲线 图 6给 出 4种 方 法增 。 加 叶 轮 出 口 宽 度 的 “ 流 。 。 羹 辈 亲 蓄 簿 言 ： 荔 臻 军 度可以降低 “ 流量 一扬 ” 十 后 盖 板 出 口 平 移 程， ， 1生 能曲线斜率，主要 。 古 体现在关断点扬程增加量 Q ( 舻 “ 增加量 。移 动前 后盖 板 出 宽度方法扬程对比 盖板出口的叶轮效率均高于移动后盖板出口的叶轮效 率 。 由于 在 中小 流量 区增 8 2 加叶轮出口 宽度引起叶轮 ： ： 效率下降，这是高效率点 向大流量 方 向偏 移 的必 然 7 4 结果 。移 动前 盖 板 出 口这 7 2 种 方 法 效 率 下 降 始 终 在 I 以内，而其余 3种方法 效率最大下降量达到 5 。 在 额 定 工 况 Q = Q 0 8 I 0 1 2 1 4 I 6 Q， ( 1 0 m。 h ) 图 7 4种增加 叶轮 出 口 宽度方法效率对比 下，移动前盖板出口相比于平行移动前盖板方法效率 提 升 1 9 ，因此 ，采用移动前 盖板 出 口方 法增加 叶 轮 出 口宽度其水 力性 能最佳。 3 3 性 能 关 系式拟合 为了更好地 揭示移动前盖板 出 口方法对 6 0 0 M W 超 临界锅 炉 给水 泵性 能 的影 响 ，重 点选 取 关 断点 流 量 、额 定 流 量 和 大 流 量 3个 工 况 点 ( 0 2 5 Q 、Q 、 1 5 Q ) ，详细研究在这 3个工况下不同叶轮出口宽 度变化对叶轮扬程和效率的影响，并在此基础上拟合 出叶轮 出口宽度与扬程 的计算方程 。 分别定义横坐标为叶轮出口宽度增加后 b 与增 加前 b ： 之 比 ( 6 b ) ，纵坐标 为相应 的扬 程变化后 日 与变化前 日之 比 ( H H) 。 图8分别给出3种工况下叶轮出口宽度变化 比与 扬程变化比的关系曲线，在 1 0 5 b 2 b 1 1 5范围 内 ，3 个工况 点 的 曲线 特 征均满 足 二次 多项 式分 布 ， 在此基础上 ，拟合二次多项式趋势线 ，其最大偏差在 1 之 内，属于给水泵设 计的正常误差范 围。 b ； b 2 ( a ) Q 0 2 S Q d 1 07 1 0 6 1 0 5 1 04 1 0 3 1 O 2 1 0 1 5 1 0 25 L0 5 1 07 5 1 1 1 12 5 1 1 5 b b2 ( b )Q= ed 6 i 2 ( c ) Q = I 5 Qd 图8 3 种工况下叶轮出口 宽度效率与流量曲线 根据 图 8( a ) ，当 Q=0 2 5 Q 时， 自变 量 为 6 ： 6 ： 的二次多项式回归方程为： 第 1 9期 梁卫兵 等：6 0 0 MW超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计 6 9 百H t - o 4 7 ( ) 儿5 4 ( 8 ) 根据 图 8 ( b ) ，当 Q= Q 时 ， 自变量 为 6 6 的 二 次多项式 回归方程 为 ： 等 - 5 - 5 5 l 1 7 5 + 7 _ 24 (9 ) 根据 图 8 ( C ) ，当 Q =1 5 Q 时 ， 自 变 量 为 6 的二次多项式 回归方程为 ： 等 2 _ 4 + s 6 5 ( 10 ) 多项式 回归方程仅用 于指导 6 0 0 MW 超临界锅 炉 给水泵 叶轮 出 口改 型设计 ，适 用范 围为 1 0 5 b 2 b ： 1 1 5。 在原 型 叶 轮数 据 基 础 上 ，基 于方 程( 8 ) 即在 关断点流量处 ，可根据 目标 降低后关 断点扬程值 日 ，定量求 出 叶轮 出 口宽度 值 b 。在此基 础上 ， 方程 ( 9 )与 ( 1 0 ) 用 于判 断 在额 定 工况 与大 流量 工况下 ，该 叶轮 出 口宽度 b 所 对应 的 叶轮 扬 程是 否在该泵设计允许范围内，以确保降低关断点扬程 的同时，保证额定工况和大流量工况下泵的可靠性 和稳 定性 。 4结 论 ( 1 )针对 6 0 0 MW 超 临界锅 炉给水 泵关断点扬程 过高 问题 ，提 出 4种增 加 叶轮 出 口宽 度 的设 计 方法 ： 平行 移动 前盖 板 ；平行 移 动后 盖 板 ；移 动 前 盖板 出 口；移动后盖板 出 口。 ( 2 )采用 移 动前 盖板 出 口的方法 降低 关 断点 扬 程的效果最佳 ，其水力性能参数也优于其余 3种方 法 ，运行流量 为 1 2 5 0 m h时 ，相 比于平 行 移动 前 盖板 方法效率增加 1 9 。 +“ +”+”+”+” 十一 + t t 机床工具产 + i一个重要因素。 ； 力在这种变化中 ( 3 )叶轮 出 口宽度 变 化 比与 扬程 变化 比在 一定 范围内满足二次多项式回归关系，在此基础上，拟合 二次多项式方程。可根据 目标降低后关断点扬程值 日 ，定量求出叶轮出口宽度值 b 。 参考文献 ： 【 1 】 周光炯， 严宗毅 流体力学： 下册 M 2版 北京： 高等 教育出版社 ， 2 0 0 0 【 2 】张兆顺 ， 崔贵香， 许春晓 湍流理论与模拟 M 北京 ： 清 华大学 出版社 ， 2 0 0 8 【 3 】张克危 流体机械原理 M 北京： 机械工业出版社， 2 00 0 【 4 】Z HA O B i n j u a n ， Y U A N S h o u q i ， L I U H o u l i n ， e t a1 T h r e e d i me n s i o n a l Co u p l e d I mp e l l e r v o l u t e S i mu l a t i o n o f Fl o w i n C e n t ri f u g a l P u m p a n d P e r f o r ma n c e P r e d i c t i o n J C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 1 ) ： 5 96 2 【 5 】王福军 计算流体动力学分析： C F D软件原理与应用 M 北京： 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 【 6 】 B Y S K O V R K ， J A C O B E S E N C B ， P E D E R S E N P F l o w i n a C e n t r i f u g al P u mp I mp e l l e r a t De s i g n a n d O f f - d e s i g n C o n d i t i o n s ： P a r t I ： L a r g e E d d y S i m u l i o n s J J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3 ， 1 2 5 ( 1 ) ： 7 38 3 【 7 】L A U N D E R B E ， R E E C E G ， R O D I W P r o g r e s s i n t h e D e v e l o p m e n t o f a R e y n o l d s S t r e s s T u r b u l e n c e C l o s u r e J J F l u i d Me c h， 1 9 7 5， 6 8： 5 3 75 6 6 【 8 】Y A N G C o n g x i n ， C H E N G X i a o w e i N u m e ri c a l S i m u l a t i o n o f Thr e e Di me n s i o n al F l o w i n a Mul t i s t a g e Ce nt rif u g a l P ump B a s e d o n I n t e gra l Mo d e l i n g C I E E E C o n f e r e n c e ， Wu - ha n， 2 00 9 【 9 】A I A A E d i t o r i al P o l i c y S t a t e m e n t o n N u m e ri c a l A c c u r a c y a n d E x p e ri m e n t al U n c e r t a i n t y J A I A A J o u r n al， 1 9 9 4 ， 3 2 ( 1 ) ： 3 自动化技术将成机床制造业转型关键 品自动化程度的高低，对机床的速度、精度等性能有着至关重要的影响，也成为了区分机床档次的 据了解认为，先进的自动化技术与产品，无疑将成为机床制造业转型所寻求的重要方向，其发展潜 必将得 到凸显 。 在机床产品，尤其是高端机床产品中，自动化技术与产品几乎作用于从控制机构、执行机构到测量与反馈机构 的各个部分，而 目前这些应用于机床及机床生产线的各种 自动化产品，几乎都在发生着推陈出新的变革。作为中高 端机床的控制中心，数控系统包含了运动控制、智能技术、自诊断等多方面的技术 ，多轴多系统的数控装置已纷纷 被研发出来并投入应用；伺服系统的控制方式，也逐渐由常规信号型向总线型过渡；伺服驱动器和电机也同样向数 字化、交流化和智能化的方向不断发展。 在这方面，很多前沿的自动化技术趋势也纷纷展现出来。例如直线电机、力矩电机的应用就是一个很好的例 子。马扎克、森精机大部分规格的龙门式导轨已经不再采用滚动导轨，而改用直线电机，T H K的直线电机在 3 0 0 0 N负荷下 ，已经能达到 7 2 0 m rai n的速度 ，这不能不说是一个突破。而力矩电机以前只能用在小规格机床上，现在 已经可以应用于越来越大规格的机床。以上这些技术的成熟 ，也在不断地促进着机床性能的提升。 ( 内容 来源：中国机床 网)