大型熱力循環(huán)泵的設(shè)計(jì)優(yōu)化與試驗(yàn)研究

宋懷德，李玉華，彭勃，趙融會(huì)

(1.陜西空天動(dòng)力研究院有限公司，陜西西安 710076；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)三十一研究所，北京 100074 )

0 前言

現(xiàn)有的供熱系統(tǒng)通常采用高溫?zé)崴h(huán)泵進(jìn)行供熱，循環(huán)泵是供熱系統(tǒng)的心臟，它擔(dān)負(fù)著驅(qū)動(dòng)熱媒傳遞熱能的功能，選用的設(shè)備匹配是否合理，直接影響著輸送效果和能耗的高低。為實(shí)現(xiàn)供熱系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，降低供熱成本，對(duì)循環(huán)水泵的高性能、高揚(yáng)程、高可靠性及操作維護(hù)方便等提出較高的要求。現(xiàn)有的供熱行業(yè)由于缺乏有效的運(yùn)作、監(jiān)管等應(yīng)急調(diào)整措施，導(dǎo)致供熱行業(yè)能源利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，并且還存在供熱矛盾突出等問(wèn)題[1]。

1 研制對(duì)象

此項(xiàng)目為陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，主要用于輸送熱網(wǎng)循環(huán)水，室內(nèi)布置，主要性能參數(shù)：流量為11 000 m3/h，揚(yáng)程為90 m的高溫?zé)崴?，溫度不高?30 ℃，轉(zhuǎn)速為740 r/min，電機(jī)功率3 550 kW，泵入口壓力0.6～1.6 MPa，必需氣蝕余量hNPSHr≤8.5 m，效率η≥91%，泵殼體承壓為2.35 MPa，屬于大流量高壓熱力泵，溫度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)該類(lèi)泵的適用溫度[2]。

1.1 結(jié)構(gòu)方案

泵與電機(jī)采用撬裝式共同底座，泵、電機(jī)、聯(lián)軸器、附屬管線(xiàn)、檢測(cè)儀表、撬裝底座全部采用防爆設(shè)計(jì)。泵體、泵蓋、進(jìn)出口法蘭等承壓件壁厚充分考慮了介質(zhì)的腐蝕、侵蝕及磨損的要求與安全裕度。軸承箱采用整體式結(jié)構(gòu)，軸承選用重載型深溝球軸承，稀油潤(rùn)滑，軸承箱設(shè)置水冷卻系統(tǒng)[3]。

葉輪經(jīng)過(guò)靜平衡試驗(yàn)，與其他轉(zhuǎn)動(dòng)件裝配后再進(jìn)行動(dòng)平衡，泵入口和出口都在下半部，單級(jí)雙吸結(jié)構(gòu)可平衡部分軸向力，剩余殘余軸向力由四點(diǎn)接觸球軸承承受。泵體采用球形殼壓出室，泵腳與外殼下部為整體鑄造，所承受的推力能傳遞到基礎(chǔ)。泵軸上帶軸套用鎖定螺母鎖緊葉輪，保證運(yùn)行的平穩(wěn)及連續(xù)性，維護(hù)時(shí)只更換軸套而不用換泵軸。機(jī)械密封可承受系統(tǒng)入口壓力。熱力循環(huán)泵結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熱力循環(huán)泵結(jié)構(gòu)布置

1.2 水力設(shè)計(jì)及仿真

表1為泵的設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)值，葉輪水力參考了目前市場(chǎng)上最優(yōu)秀且經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證的葉輪水力模型。葉輪共8對(duì)葉片，葉片錯(cuò)開(kāi)22.5°布置，可以有效減小壓力脈動(dòng)，同時(shí)減小泵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。吸入室為半螺旋形結(jié)構(gòu)，壓出室采用螺旋形結(jié)構(gòu)。殼體水力借鑒了國(guó)內(nèi)優(yōu)秀的雙吸泵模型，在保證水力性能的同時(shí)兼顧了結(jié)構(gòu)的合理性，降低了殼體鑄造難度。

表1 泵的主要計(jì)算參數(shù)

采用CFD方法對(duì)核心水力模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，并經(jīng)過(guò)了CFX分析和優(yōu)化。葉輪仿真云圖如圖2所示，具有較高的效率和氣蝕性能[4]。

圖2 葉輪葉片仿真云圖

1.3 密封冷卻沖洗

由于介質(zhì)是130 ℃高溫?zé)崴紤]到雙端面機(jī)封沖洗水壓力必須高于被密封液體壓力，而現(xiàn)場(chǎng)只有水塔提供冷卻水，壓力不高于0.2 MPa，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況和用戶(hù)要求，泵體軸封采用單端面集裝式機(jī)械密封，密封環(huán)材質(zhì)為碳化硅。沖洗水溫不高于70 ℃，沖洗液從泵出口引出，經(jīng)過(guò)換熱器冷卻后進(jìn)入機(jī)封腔，兩個(gè)機(jī)封共用一個(gè)鋼制管殼式換熱器，換熱面積0.4 m2。斷面平均線(xiàn)速度為11 m/s，計(jì)算得沖洗液量為20 L/min，冷卻液量為15 L/min(水溫25 ℃)。泵采用兩端近中心支承，兩端均采用滾動(dòng)軸承承受徑向力，推力球軸承選用四點(diǎn)接觸球軸承，設(shè)在非驅(qū)動(dòng)端，以承受轉(zhuǎn)子的剩余軸向力。軸承體為鑄鋼件，在軸穿過(guò)軸承體處，選用軸承隔離器，確保潤(rùn)滑油不外漏，并防止雜物進(jìn)入軸承室；選用進(jìn)口SKF軸承；軸承體下方設(shè)有排污孔，軸承體外表面鑄有散熱片，增強(qiáng)了軸承箱的散熱性能[5]。主要零件材料如表2所示。

表2 熱力循環(huán)泵零部件材料

1.4 殼體強(qiáng)度與分析

殼體加工時(shí)用青殼紙墊，裝配時(shí)采用0.5 mm橡膠石棉墊，泵體法蘭內(nèi)徑D=1.869 m，泵內(nèi)壓力p=2 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=500 MPa，許用應(yīng)力[σ]=σb/2.2=227.3 MPa，泵內(nèi)壓力形成力

計(jì)算壁厚得：

根據(jù)上述計(jì)算取殼體壁厚為40 mm較合理。螺栓間距t=0.11 m，螺栓孔徑d=0.045 m，螺栓距殼體壁厚一半的距離n=0.06 m，許用應(yīng)力[σ]=σb/5.5=100 MPa。計(jì)算法蘭厚度得：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以上結(jié)果偏大，最終法蘭厚度取95 mm。中開(kāi)面選用材質(zhì)為42CrMo，螺柱M42，整個(gè)中開(kāi)面共布置48個(gè)螺栓，螺母采用加高、頂端密封結(jié)構(gòu)。計(jì)算獲得單個(gè)螺栓預(yù)緊力為58 773 N，全部螺栓承受的最大等效應(yīng)力是423 MPa，材料的屈服強(qiáng)度為930 MPa，安全系數(shù)n≥1.5，螺栓滿(mǎn)足密封力使用要求。

泵的工作壓力為1.5 MPa，殼體所承受的最大許用工作壓力為2 MPa，由于泵后期可能承受高溫高壓介質(zhì)，所以設(shè)計(jì)時(shí)給定殼體內(nèi)液壓為1.6 MPa。螺栓和泵體采用線(xiàn)性接觸形式綁定，螺栓預(yù)緊力為5.607 7×105N。殼體泵體泵蓋最大等效應(yīng)力211 MPa如圖3所示，小于其許用應(yīng)力259 MPa。

圖3 泵殼體應(yīng)力云圖

取垂直密封面向上為Y軸正方向，垂直密封面向下為Y軸負(fù)方向，密封面在Y軸方向變形如圖4所示。

圖4 殼體Y軸正方向最大形變

在螺栓作用下，泵體泵蓋密封面間間隙很小，不超過(guò)0.01 mm，實(shí)際產(chǎn)品中開(kāi)面間裝配有0.5 mm橡膠石棉墊，泵體泵蓋最大正向形變?yōu)?.31 mm，如圖4所示，石棉墊的有效壓縮值小于0.19 mm，因此螺栓采用2 000 N·m的擰緊力矩在1.6 MPa的液壓作用下密封面不會(huì)發(fā)生泄漏[6]。

1.5 轉(zhuǎn)子動(dòng)力計(jì)算與分析

在轉(zhuǎn)子組件中，泵軸總長(zhǎng)2 975 mm，軸端最小軸徑為185 mm，最大軸徑為210 mm。泵軸與葉輪及聯(lián)軸器通過(guò)單鍵傳遞扭矩，葉輪和軸承采用鎖緊螺母實(shí)現(xiàn)軸向定位，采用長(zhǎng)軸套結(jié)構(gòu)，可以在不開(kāi)啟泵蓋的情況下調(diào)整葉輪軸向位置，有利于泵的運(yùn)行維護(hù)。

利用如下公式計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速：

其中：nc為一階臨界轉(zhuǎn)速；Gi為作用在軸各段上的荷重(軸自重及轉(zhuǎn)子零件重力)；yi為與Gi對(duì)應(yīng)的靜撓度。

如圖5所示，最大靜撓度在葉輪處約為0.18 cm，泵的一階臨界轉(zhuǎn)速nc為2 562.6 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析計(jì)算圖

采用ANSYS Workbench中的Modal分析模塊，對(duì)軸系進(jìn)行模態(tài)分析。一階臨界轉(zhuǎn)速為2 576.04 r/min，與莫氏積分法計(jì)算得到2 562.6 r/min均大于理論轉(zhuǎn)速(740 r/min)的1.25倍，滿(mǎn)足剛性轉(zhuǎn)子的條件。經(jīng)分析，危險(xiǎn)截面在葉輪處，彎矩為77.8 N·m，扭矩為51 632 N·m，軸向力為0 N，采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行校核，計(jì)算得截面的安全系數(shù)為18.9>17，不需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核[7]。

1.6 零部件配合與熱力變形分析

泵材料在130 ℃高溫工況下的熱膨脹會(huì)對(duì)零部件的配合尺寸和性能產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)泵內(nèi)主要配合部位的熱膨脹量進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)查表得溫度在20～200 ℃線(xiàn)膨脹值。泵運(yùn)行時(shí)與裝配(水試試驗(yàn))時(shí)溫差為110 ℃，根據(jù)徑向膨脹量、軸向膨脹量計(jì)算各部件熱變形引起的配合間隙變化量對(duì)裝配影響較小，如表3所示。

表3 各部件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)

如圖6所示，循環(huán)泵殼體在1.6 MPa液壓作用下輸送介質(zhì)溫度為130 ℃的高溫水時(shí)，整個(gè)殼體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，各部件熱變形引起的配合間隙變化量對(duì)裝配影響較小，密封面在Y軸方向變形。

圖6 殼體熱變形圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該成套設(shè)備進(jìn)行了外特性試驗(yàn)和機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，采用下沉式試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)水池面距泵中心高為7 m。通過(guò)閉式循環(huán)進(jìn)行性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比如表4所示。可以看出：試驗(yàn)得到的該泵的效率為91.3%，數(shù)值仿真性能偏高，但二者性能曲線(xiàn)趨勢(shì)是一致的，利用CFD軟件對(duì)熱力循環(huán)泵進(jìn)行性能仿真，預(yù)測(cè)結(jié)果與真機(jī)試驗(yàn)結(jié)果吻合，說(shuō)明設(shè)計(jì)方法合理可行[8]。

表4 性能結(jié)果比較

圖7 試驗(yàn)性能曲線(xiàn)

3 結(jié)論

通過(guò)大型熱力循環(huán)泵設(shè)計(jì)優(yōu)化及試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論

(1)對(duì)大型熱力循環(huán)泵進(jìn)行整機(jī)流場(chǎng)仿真，可知特別在熱效應(yīng)作用下，機(jī)組各零部件有熱變形，并對(duì)熱流體流動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)工況下整機(jī)性能的影響進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)大型熱力循環(huán)泵需要流量較寬，泵的不穩(wěn)定性對(duì)機(jī)組的影響較大。通過(guò)優(yōu)化極端工況下的內(nèi)部流動(dòng)，可提高機(jī)組穩(wěn)定性。

(3)大型熱力循環(huán)泵試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，受試驗(yàn)條件限制，無(wú)法模擬真實(shí)介質(zhì)和復(fù)雜運(yùn)行工況進(jìn)行泵內(nèi)部流場(chǎng)分析，但可以通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及仿真結(jié)果比較，來(lái)提高設(shè)計(jì)水平、縮短綜合研制周期，從而更加有效率地指導(dǎo)設(shè)計(jì)。