小型汽輪機主油泵設計優化與試驗研究

楊 懿，李一興，江 攀，張 瑩

● （中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

小型汽輪機主油泵設計優化與試驗研究

楊 懿，李一興，江 攀，張 瑩

● （中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

通過數值仿真對小型汽輪機離心式主油泵進行了3種不同結構的性能對比計算，擇優選擇帶正預旋的主油泵結構，并搭建試驗臺進行了性能驗證，結果表明性能完全滿足要求，并具有良好的變工況性能，為汽輪發電機組的研制創造了堅實的基礎。

船舶汽輪機；主油泵；數值模擬

0 引言

油泵系統是汽輪發電機組的重要組成部分。在小型汽輪機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速系統提供油壓信號，并向滑油系統供油，主油泵的性能對汽輪發電機組的調速及整機安全運行有決定性影響，因此機組對主油泵的性能要求非常嚴格，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定性[1,2,3]。

本文根據某小型汽輪發電機組的設計使用要求，應用CFD仿真軟件，對不同結構的主油泵性能進行了對比計算，并通過搭建試驗臺架對帶正預旋結構的主油泵進行了性能驗證，獲得其流量-壓頭及流量-轉速特性，為后續調速系統及滑油系統的設計提供依據。

1 主油泵的設計與優化

1.1 設計參數

根據汽輪機供油系統的要求，主油泵的工況參數主要包括：

進口油壓（MPa）：～0.30；

出口油壓（MPa）：＞1.0；

出口流量（L/min）：～50；

額定轉速（r/min）：6500

1.2 主油泵系統結構

機組油泵系統主要由導流環、主油泵及穩流網組成。主油泵為軸帶鉆孔泵型式，雙排孔。穩流網的作用是減小油泵出口的油壓脈動。整體結構如下圖所示：

圖1 機組主油泵系統結構示意圖

1.3 主油泵結構幾何造型及網格化

根據油泵的結構圖，采用Solidedge軟件對各部件進行三維造型，為流場數值計算提供幾何模型[4,5,6]。如圖2所示：

圖2 主油泵計算模型、

為了對比導流環的影響，考慮了三個油泵結構進行仿真研究，表1為三個計算仿真方案。

表1 計算仿真方案

圖3 導流環結構與導流葉片

2 仿真計算對比

通過對比三種方案的出口壓力分布、鉆孔主油泵內部壓力分布以及流線的分布，來確定性能較好的油泵結構形式。

通過圖4所示出口壓力分布可以看出，方案1進出口壓力分布較為對稱均勻，而方案2和方案3在出口的一端出現壓力比較明顯的下降變化。

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

通過圖6所示油泵內部的流線趨勢可以看出，方案1的流場從進口到出口流動較為光順均勻，而方案2和方案3流場較為紊亂。

通過表2的計算結果可見，三種油泵方案均滿足設計要求。但采用正預旋葉片（方案1）可有效地改善流場，提高揚程。而負預旋葉片（方案2）的流場較惡化，且揚程下降，方案3的性能居中。綜合上述仿真計算結果，選擇帶正預旋的油泵結構（方案1）作為優選方案。

表2 性能計算結果對比

圖4 出口壓力分布

圖5 主油泵內部壓力分布

圖6 油泵內部流線分布

3 主油泵試驗研究

為了驗證主油泵的流體動力性能，搭建了主油泵試驗臺架及相應管路。試驗部件包括主油泵、增速齒輪箱和電動機，布置如圖7所示。

3.1 額定轉速下“⊿P-Q”特性試驗

將主油泵轉速穩定在 6500r/min，通過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為油泵進口壓力）。為減小誤差因素，在流量的增減方向各做1次。

通過圖 8所示主油泵進出口壓增-流量特性曲線可以看出，在額定轉速下，流量的變化區域較大，主油泵壓增（揚程）和流量為近拋物線關系，且隨流量變化的趨勢較平緩，說明主油泵在大流量區域內的變工況性能良好。

圖7 油泵試驗臺架

圖8 進出口壓增-流量（⊿P-Q）特性曲線

3.2 ⊿P與轉速n的“⊿P-n”特性試驗

固定放油閥的開度，通過改變主油泵轉速（范圍5800r/min～7000r/min），記錄轉速對應的P1、P0和Q的變化關系。為減小誤差因素，在轉速增減方向各做一次。

通過圖9所示主油泵進出口壓增-轉速特性曲線可以看出，主油泵的壓增（揚程）與轉速基本為線性變化關系，油壓的變化能夠較準確地反映轉速的變化，這一特性保證了調速系統可以根據油壓變化進行轉速調節。

圖9 壓增-轉速（⊿P-n）特性曲線

3.3 試驗與仿真計算結果對比

表2為試驗與仿真計算結果對比表。通過試驗結果可以看出，主油泵的性能與仿真計算結果基本接近，其性能滿足設計使用要求。

表2 性能計算結果對比

4 結論

通過仿真對比計算與試驗研究相結合的方法，對具有正預旋結構的主油泵性能進行了詳細的分析，結果表明該主油泵性能滿足設計使用要求，油壓的變化能夠較準確地反映轉速的變化，并具有較好的變工況性能，可為汽輪發電機組調速及滑油系統的研制創造良好的基礎。

[1]袁壽其.低速比離心泵理論與設計[M].北京:機械工業出版社, 2001.

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[3]楊林建,趙發賢.大型汽輪機主油泵系統設計與研究[J].機床與液壓, 2012, 40(18): 99-102.

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[5]胡苑,賴喜德,符杰等.基于多工況性能預測的主油泵改型及優化設計[J].熱力發電, 2009, (8):118-120.

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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：汽輪機調節系統設計與仿真。