小型汽輪機(jī)主油泵設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

楊 懿，李一興，江 攀，張 瑩

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

小型汽輪機(jī)主油泵設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

楊 懿，李一興，江 攀，張 瑩

● （中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海 200031）

通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)小型汽輪機(jī)離心式主油泵進(jìn)行了3種不同結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比計(jì)算，擇優(yōu)選擇帶正預(yù)旋的主油泵結(jié)構(gòu)，并搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，結(jié)果表明性能完全滿足要求，并具有良好的變工況性能，為汽輪發(fā)電機(jī)組的研制創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

船舶汽輪機(jī)；主油泵；數(shù)值模擬

0 引言

油泵系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)組的重要組成部分。在小型汽輪機(jī)中通常采用軸帶鉆孔泵作為主油泵，其主要功能是向液壓調(diào)速系統(tǒng)提供油壓信號(hào)，并向滑油系統(tǒng)供油，主油泵的性能對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速及整機(jī)安全運(yùn)行有決定性影響，因此機(jī)組對(duì)主油泵的性能要求非常嚴(yán)格，不僅要求具有較高效率和空化性能，而且要求具有良好的性能曲線和變工況的穩(wěn)定性[1,2,3]。

本文根據(jù)某小型汽輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)使用要求，應(yīng)用CFD仿真軟件，對(duì)不同結(jié)構(gòu)的主油泵性能進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，并通過(guò)搭建試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)帶正預(yù)旋結(jié)構(gòu)的主油泵進(jìn)行了性能驗(yàn)證，獲得其流量-壓頭及流量-轉(zhuǎn)速特性，為后續(xù)調(diào)速系統(tǒng)及滑油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 主油泵的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)汽輪機(jī)供油系統(tǒng)的要求，主油泵的工況參數(shù)主要包括：

進(jìn)口油壓（MPa）：～0.30；

出口油壓（MPa）：＞1.0；

出口流量（L/min）：～50；

額定轉(zhuǎn)速（r/min）：6500

1.2 主油泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)組油泵系統(tǒng)主要由導(dǎo)流環(huán)、主油泵及穩(wěn)流網(wǎng)組成。主油泵為軸帶鉆孔泵型式，雙排孔。穩(wěn)流網(wǎng)的作用是減小油泵出口的油壓脈動(dòng)。整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖1 機(jī)組主油泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 主油泵結(jié)構(gòu)幾何造型及網(wǎng)格化

根據(jù)油泵的結(jié)構(gòu)圖，采用Solidedge軟件對(duì)各部件進(jìn)行三維造型，為流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算提供幾何模型[4,5,6]。如圖2所示：

圖2 主油泵計(jì)算模型、

為了對(duì)比導(dǎo)流環(huán)的影響，考慮了三個(gè)油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，表1為三個(gè)計(jì)算仿真方案。

表1 計(jì)算仿真方案

圖3 導(dǎo)流環(huán)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)流葉片

2 仿真計(jì)算對(duì)比

通過(guò)對(duì)比三種方案的出口壓力分布、鉆孔主油泵內(nèi)部壓力分布以及流線的分布，來(lái)確定性能較好的油泵結(jié)構(gòu)形式。

通過(guò)圖4所示出口壓力分布可以看出，方案1進(jìn)出口壓力分布較為對(duì)稱(chēng)均勻，而方案2和方案3在出口的一端出現(xiàn)壓力比較明顯的下降變化。

通過(guò)圖5所示鉆孔主油泵內(nèi)部的壓力分布可以看出，從主油泵進(jìn)口到出口壓力逐步升高，到出口處壓力最大。三種方案都達(dá)到了出口油壓大于1MPa的要求。

通過(guò)圖6所示油泵內(nèi)部的流線趨勢(shì)可以看出，方案1的流場(chǎng)從進(jìn)口到出口流動(dòng)較為光順均勻，而方案2和方案3流場(chǎng)較為紊亂。

通過(guò)表2的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，三種油泵方案均滿足設(shè)計(jì)要求。但采用正預(yù)旋葉片（方案1）可有效地改善流場(chǎng)，提高揚(yáng)程。而負(fù)預(yù)旋葉片（方案2）的流場(chǎng)較惡化，且揚(yáng)程下降，方案3的性能居中。綜合上述仿真計(jì)算結(jié)果，選擇帶正預(yù)旋的油泵結(jié)構(gòu)（方案1）作為優(yōu)選方案。

表2 性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖4 出口壓力分布

圖5 主油泵內(nèi)部壓力分布

圖6 油泵內(nèi)部流線分布

3 主油泵試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證主油泵的流體動(dòng)力性能，搭建了主油泵試驗(yàn)臺(tái)架及相應(yīng)管路。試驗(yàn)部件包括主油泵、增速齒輪箱和電動(dòng)機(jī)，布置如圖7所示。

3.1 額定轉(zhuǎn)速下“⊿P-Q”特性試驗(yàn)

將主油泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 6500r/min，通過(guò)放油閥改變主油泵的流量Q和壓增⊿P（⊿P =P1－P0，P1為油泵出口壓力，P0為油泵進(jìn)口壓力）。為減小誤差因素，在流量的增減方向各做1次。

通過(guò)圖 8所示主油泵進(jìn)出口壓增-流量特性曲線可以看出，在額定轉(zhuǎn)速下，流量的變化區(qū)域較大，主油泵壓增（揚(yáng)程）和流量為近拋物線關(guān)系，且隨流量變化的趨勢(shì)較平緩，說(shuō)明主油泵在大流量區(qū)域內(nèi)的變工況性能良好。

圖7 油泵試驗(yàn)臺(tái)架

圖8 進(jìn)出口壓增-流量（⊿P-Q）特性曲線

3.2 ⊿P與轉(zhuǎn)速n的“⊿P-n”特性試驗(yàn)

固定放油閥的開(kāi)度，通過(guò)改變主油泵轉(zhuǎn)速（范圍5800r/min～7000r/min），記錄轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的P1、P0和Q的變化關(guān)系。為減小誤差因素，在轉(zhuǎn)速增減方向各做一次。

通過(guò)圖9所示主油泵進(jìn)出口壓增-轉(zhuǎn)速特性曲線可以看出，主油泵的壓增（揚(yáng)程）與轉(zhuǎn)速基本為線性變化關(guān)系，油壓的變化能夠較準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)速的變化，這一特性保證了調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)油壓變化進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖9 壓增-轉(zhuǎn)速（⊿P-n）特性曲線

3.3 試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表2為試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比表。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，主油泵的性能與仿真計(jì)算結(jié)果基本接近，其性能滿足設(shè)計(jì)使用要求。

表2 性能計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)仿真對(duì)比計(jì)算與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，對(duì)具有正預(yù)旋結(jié)構(gòu)的主油泵性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，結(jié)果表明該主油泵性能滿足設(shè)計(jì)使用要求，油壓的變化能夠較準(zhǔn)確地反映轉(zhuǎn)速的變化，并具有較好的變工況性能，可為汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速及滑油系統(tǒng)的研制創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)。

[1]袁壽其.低速比離心泵理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2001.

[2]彭立,賴喜德.大功率汽輪機(jī)組主油泵研制與試驗(yàn)[J].電站輔機(jī), 2013, 34(1):23-25.

[3]楊林建,趙發(fā)賢.大型汽輪機(jī)主油泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)床與液壓, 2012, 40(18): 99-102.

[4]賴喜德.葉片式流體機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造[M].成都:四川大學(xué)出版社, 2007.

[5]胡苑,賴喜德,符杰等.基于多工況性能預(yù)測(cè)的主油泵改型及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電, 2009, (8):118-120.

[6]胡苑,賴喜德,符杰等.基于數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)方法的主油泵改型優(yōu)化[J].流體機(jī)械, 2009, 37(4):38-42.

Optimization Design and Performance Test of Main Oil Pump for Compact Steam Turbine

YANG Yi, LI Yi-xing, JIANG Pan, ZHANG Ying
(No.704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

The performances of main oil pump with three different structures in compact turbine are calculated in this paper with the method of numerical simulation.The type of positive swirl pump is adopted with comparison and optimization method.The test facilities are built to validate the performance of pump.The results show that the performance is fully satisfied with the demand and the off-design condition is excellent.All above work is the solid base of compact steam turbine development.

compact steam turbine; main oil pump; numerical simulation

TK263.2

A

楊懿（1985-），碩士研究生。研究方向：汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真。