炉水循环泵的性能及结构强度研究

发布时间：2019-05-05 07:13

【摘要】：炉水循环泵用于输送高温高压炉水,是火电机组中锅炉水循环的主要动力元件。炉水循环泵的性能和强度影响着锅炉机组的效率以及泵机组的运行稳定性。因此,研究炉水循环泵的性能及结构强度,为改进水力和结构设计提供理论指导,对确保其稳定运行具有重要的意义。本文以365WLB-965型炉水循环泵为研究对象,该泵是一种含导叶的单级单吸高温高压离心泵,输送高温高压水(360℃,36.6MPa),主要承压部件为半球形泵体,为保证更高的强度通过锻造制造。泵的水力性能主要受到半球形泵体、导叶、叶轮的影响,结构可靠性能主要受到介质压力和温度的影响。在研究过程中,首先利用ANSYS CFX进行稳态场计算,得到泵全流场流动状况;其次将稳态场结果作为初始条件进行瞬态场的计算,得到压力脉动状况;基于瞬态场的计算结果,利用workbench进行温度场和静力场的计算,得到主要承压部件泵体的温度分布与受力情况;为改善导叶性能,利用正交试验方法进行导叶优化设计,得到最优设计参数;考虑泵的实际安装情况,改变泵体出口管角度进行对比分析,得到泵在不同出口角下的性能。主要研究成果如下:1.进行了炉水循环泵稳态流场计算,对比分析了不同流量下的泵内部流动状况,观察到叶轮、导叶内部压力场和速度场具有明显梯度,导叶内部流动较为紊乱,半球形泵体内部存在大量的旋涡,且旋涡数量随着球面半径的减小而增多。随着流量的增大,泵内部流动更加稳定。2.进行了瞬态流场计算,从计算结果看出:(1)泵内部压力脉动主要是由动静域交接作用、流体旋涡和流固间冲击引起的。(2)叶轮和导叶内部压力脉动主频分别为导叶和叶轮叶片数倍轴频,越靠近叶轮与导叶相互作用处,各流域监测点压力脉动越大。(3)泵体内流动受动静域交接作用的影响逐渐降低和流体对泵体壁面冲击的影响逐渐增大,其进口处径向位置压力脉动幅度先减小后增大,泵体球面四个轴截面位置(两两相隔90度)中,靠近出口管处的上端脉动较小,其它三侧相近,但泵体整体压力脉动很小。3.利用正交法进行导叶设计,得到9组导叶水力模型,通过对比泵水力性能和内部流动状况,同时对扬程和效率进行极差分析和相对影响指数分析,得到最优的设计参数导叶进口安放角α3=16.2?,扩散角?=8?,喉部面积F3=37×50mm2,优化后的导叶相比于模型原导叶,流动中的旋涡大大减少,流动更为平滑规律,扬程及效率均有较大提高。4.实际状况中泵的安装具有不确定性问题,安装与出口管角度有关,针对此问题进行探索分析,对四种不同出口管角度的泵体进计算分析,对比四种状况下的泵的水力性能、内部流场和压力脉动状况对比表明:相比于其它三种放置角度,角度为130?时,扬程和效率均有小幅下降,出口管内存在大量的死水区,压力脉动幅度较大,且没有明显的规律性,压力脉动系数整体云图略大于其它三种。由于大角度下的性能下降及流动不稳定性较大,建议出口管放置角度不宜太大。5.利用ANSYS-workbench平台中的steady-state thermal和static structural对泵体进行了温度场和静力场进行分析。结果表明:(1)泵体的温度场距离隔热层越远,区域温度越高,且热流密度分布与温度呈反比关系。(2)当只考虑温度载荷时,热应力受螺栓联接处,即隔热层与泵体交接位置的约束影响较大,此处应力急剧变大,泵体热变形梯度明显,在约束端变形最小。(3)当只考虑流体压力时,进出口管道处应力较大,泵体变形在约束处最小,最大应力随流量的增大而减小。(4)温度载荷和压力载荷共同作用时,泵体约束端应力急剧变大,泵体总应力较热应力有所减小,总变形略大于热变形,球面总变形及应力分布均匀。(5)对比可知,三种情况下的泵体球面应力和变形分布均匀,说明球形泵体耐高温高压能力强,泵体的变形主要由热变形主导,而应力主要由机械应力主导。泵体球面总变形量在1.37mm以下,小于泵体与其相邻部件之间的最小空隙5mm,不存在干涉,结构体设计合理。
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【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM621.2

【参考文献】