资源描述:
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 Q0 . 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 ㈤ l 1 .7 5 ㈥ 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
展开阅读全文