水電機(jī)組推力軸承鏡板泵及油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)

水電機(jī)組推力軸承鏡板泵及油循環(huán)冷卻系統(tǒng)的水力優(yōu)化設(shè)計(jì)賴喜德;張翔;陳小明;盧珍;楊仕福【摘要】針對水電機(jī)組推力軸承鏡板泵流體動(dòng)力設(shè)計(jì)過程中孔的布置形式以及集油槽的斷面形狀、面積和出口管路直徑等幾何參數(shù)優(yōu)化問題，提出適合鏡板泵流道設(shè)計(jì)的鏡板泵性能預(yù)測及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過不同幾何參數(shù)組合，采用基于多工況數(shù)值模擬的性能預(yù)測方法來分析鏡板泵的主要過流部件的關(guān)鍵尺寸、形狀等對其性能的影響，并在此基礎(chǔ)上提出一種基于整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同的鏡板泵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可提高自循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流體動(dòng)力系統(tǒng)的性能及可靠性。對比試驗(yàn)表明,在原試驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)參數(shù)不變的條件下，某大型水電機(jī)組推力軸承鏡板泵在優(yōu)化設(shè)計(jì)后平均揚(yáng)程提高4m,平均效率提高5.5%,且H-Q曲線能更好保證變工況運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。%Inordertooptimizethelayoutandnumberofholesandgeometricparameterssuchasthesectionshape,area,andoutletpipediameteroftheoilbathinhydrodynamicdesignofarunner-pumpforthethrustbearingofhydroelectricunits,amethodforperformancepredictionandoptimizationdesignsuitablefortheflowpassagesoftherunnerpumpispresentedinthispaper.Throughcombinationofdifferentgeometricparameters,theinfluenceofthesizeandshapeofthemainflowpassagecomponentsonhydrodynamicperformanceoftherunner-pumpwasanalyzedusingtheperformancepredictionmethodbasedonmulticonditionnumericalsimulations.Inthisway,ahydrodynamicoptimizationdesignmethodfortherunner-pumpbasedoncooperationthroughoutthecirculationsystem,whichcanimprovetheperformanceandreliabilityofthehydrodynamicsystemforself-circulatingsystemdesign,isproposed.Theresultsshowthat,comparedwiththeoriginalrunner-pump,theaverageheadisincreasedby4m,theaverageefficiencyisincreasedby5.5%,andtheH-Qcurvecanguaranteebetterstabilityofthesystemundervaryingconditionoperationfortheoptimizedrunner-pumpunderthesametestconditions.【期刊名稱】《水利水電科技進(jìn)展》【年（卷），期】2016（036）003【總頁數(shù)】6頁（P62-67）【關(guān)鍵詞】水電機(jī)組;推力軸承;循環(huán)冷卻系統(tǒng);鏡板泵;集油槽;優(yōu)化設(shè)計(jì);性能預(yù)測【作者】賴喜德;張翔;陳小明;盧珍;楊仕?！咀髡邌挝弧课魅A大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039;西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039;東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽618000【正文語種】中文【中圖分類】TK730推力軸承作為水輪發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部件之一，其冷卻循環(huán)系統(tǒng)對于推力軸承乃至整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行至關(guān)重要。由于鏡板泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行維護(hù)方便［1］,近年來大中型水電機(jī)組采用鏡板泵作為推力軸承自循環(huán)冷卻系統(tǒng)的油流循環(huán)動(dòng)力已成為一種發(fā)展趨勢［2-3］。鏡板泵是在推力頭（或鏡板）上加工數(shù)個(gè)孔（類似于葉輪流道）和在其外緣裝集油槽（相當(dāng)于蝸殼）來形成類似葉片泵的功能。從理論上來說，鏡板泵是一種在眾多限制條件下的特殊結(jié)構(gòu)離心泵，然而普通離心泵的設(shè)計(jì)理論和方法并不完全適用于這種特殊結(jié)構(gòu)的超低比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵。因其轉(zhuǎn)速由水輪機(jī)轉(zhuǎn)速確定,推力頭（或鏡板）的尺寸和結(jié)構(gòu)受到機(jī)組設(shè)計(jì)的限制，鏡板泵的孔型要考慮制造加工方便，孔徑和數(shù)量必須兼顧對于推力頭（或鏡板）的強(qiáng)度的影響。推力頭（或鏡板）孔的布置形式和數(shù)量及集油槽的形狀、面積和出口管路直徑等幾何參數(shù)對鏡板泵流體動(dòng)力性能有重大影響。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中按徑向或后傾方向的孔型布置，采用非常粗糙的流量-壓力拋物線假設(shè)來近似計(jì)算鏡板泵的揚(yáng)程，較少考慮集油槽對水力性能的影響及其與鏡板孔的性能匹配，這樣的設(shè)計(jì)往往導(dǎo)致鏡板泵性能較差[1-5],在變工況下不利于保證循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。筆者擬提出一種基于整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同的鏡板泵水力優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:①通過對循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行1D流體動(dòng)力數(shù)值模擬來確定不同工況下對鏡板泵的揚(yáng)程和流量要求;②根據(jù)鏡板尺寸和結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速，初步設(shè)計(jì)集油槽與鏡板孔流道；③采用3D數(shù)值模擬進(jìn)行性能預(yù)測,優(yōu)化流道設(shè)計(jì)，優(yōu)選集油槽與鏡板孔流道的匹配方案；④基于整個(gè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的流體動(dòng)力協(xié)同仿真優(yōu)化來保證自循環(huán)流體動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。該方法和技術(shù)路線已用于東方電機(jī)股份有限公司的推力軸承鏡板泵研制，證明可明顯提高并有效保證整個(gè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)性能。1.1采用鏡板泵的推力軸承自循環(huán)冷卻系統(tǒng)采用鏡板泵為推力軸承自循環(huán)冷卻系統(tǒng)提供油流循環(huán)的循環(huán)冷卻系統(tǒng)的壓力和流量要求與管路特性有關(guān)。在鏡板泵設(shè)計(jì)中，應(yīng)該首先根據(jù)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的布置進(jìn)行管路特性數(shù)值模擬來確定鏡板泵設(shè)計(jì)參數(shù)，或者在工程實(shí)際中通過調(diào)整管路特性來滿足鏡板泵的運(yùn)行參數(shù)要求，這些都需要通過準(zhǔn)確的數(shù)值模擬仿真來完成。圖1為配合推力軸承試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證鏡板泵性能的循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路,鏡板泵泵出的壓力油流通過環(huán)管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)。該循環(huán)冷卻系統(tǒng)管路系統(tǒng)由4組油冷卻器、若干閥門和管路等組成，通過投入油冷卻器數(shù)量、調(diào)節(jié)閥門的配合，滿足不同參數(shù)的推力軸承循環(huán)冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)作為商業(yè)試驗(yàn)臺(tái)已通過行業(yè)鑒定。1.2循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證自循環(huán)冷卻系統(tǒng)由鏡板泵、一定數(shù)量的油冷卻器、閥門、管路等組成。不同的電站,其油冷卻器、閥門、管路的布置和安裝高程等都可能不同，對鏡板泵要求的壓頭也不同。在鏡板泵設(shè)計(jì)中,由于受到推力軸承尺寸和機(jī)組轉(zhuǎn)速的限制，經(jīng)反復(fù)計(jì)算仍不能滿足泵參數(shù)要求時(shí)，還可通過調(diào)整循環(huán)冷卻系統(tǒng)元件的特性來滿足要求，所以對循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)值模擬分析和優(yōu)化非常重要。傳統(tǒng)的管路水力損失計(jì)算方法不便準(zhǔn)確獲得油循環(huán)管路系統(tǒng)各細(xì)節(jié)的流動(dòng)參數(shù)，采用Flowmaster軟件對鏡板泵試驗(yàn)臺(tái)油循環(huán)管路系統(tǒng)進(jìn)行1D流體動(dòng)力仿真分析，其模型如圖2所示。Flowmaster軟件是由英國Flowmaster公司開發(fā)的一維流體系統(tǒng)仿真軟件，通過對系統(tǒng)管路內(nèi)的壓力、速度、溫度等參數(shù)的解算來對流體系統(tǒng)各支路或各部件的工作性能進(jìn)行預(yù)測和分析。為了驗(yàn)證仿真數(shù)值計(jì)算的正確性，分別投入1、2、3個(gè)油冷卻器進(jìn)行了管路特性試驗(yàn)（△h1、Ah2、Ah3為對應(yīng)的水力損失），試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果見圖3,最大相對誤差小于2%,證明采用此種方法計(jì)算管路特性是可行的。1.3鏡板泵設(shè)計(jì)流體動(dòng)力參數(shù)的確定采用數(shù)值計(jì)算方法預(yù)先計(jì)算推力軸承循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路特性，得到的管路油流阻力特性（圖3）可為鏡板泵的設(shè)計(jì)提供較為準(zhǔn)確的參數(shù)。在鏡板泵設(shè)計(jì)中，還可通過調(diào)整冷卻系統(tǒng)元件的特性和泵的設(shè)計(jì)性能參數(shù)來滿足推力軸承循環(huán)冷卻系統(tǒng)的要求。某機(jī)組設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=225r/min,根據(jù)推力軸承溫度控制要求，冷卻油的流量Q=124m3/h。針對圖1的鏡板泵試驗(yàn)臺(tái)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的管路計(jì)算，投入3個(gè)油冷卻器,仿真計(jì)算的管路水力損失約19.5m,因此確定鏡板泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為:流量Q=124m3/h,揚(yáng)程H=20m。鏡板泵的比轉(zhuǎn)速ns=14.2。推力軸承結(jié)構(gòu)尺寸由水力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)確定，試驗(yàn)鏡板主要幾何參數(shù)為:內(nèi)徑D1=1040mm,外徑D2=2139mm。根據(jù)流體動(dòng)力參數(shù)要求,原始試驗(yàn)方案（方案A）為:鏡板孔形狀為徑向直孔，孔徑d=40mm,孔數(shù)Z=8；集油槽基圓直徑D3=2296mm,進(jìn)口寬度b3=65mm,斷面形狀為矩形，外形線為對數(shù)螺旋線,出口總面積Ft=24531mm2,8個(gè)出口周向均勻布置。初步方案鏡板泵的流道如圖4（a）所示。2.1孔型方案為了優(yōu)化鏡板孔流道設(shè)計(jì)，根據(jù)前述鏡板的結(jié)構(gòu)尺寸，在原始試驗(yàn)方案的徑向直孔的基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加工工藝限制，再設(shè)計(jì)了5種形式，共選取了6種形式的鏡板孔進(jìn)行對比研究。每種形式的鏡板孔之間有差異的參數(shù)見表1,其3D幾何模型見圖4。2.2不同孔型鏡板泵的3D幾何造型及網(wǎng)格劃分采用UnigraphicsNX軟件對不同形式鏡板孔與集油槽和環(huán)管組合而成的鏡板泵進(jìn)行3D幾何造型，如圖4所示。采用ICEM-CFD軟件對鏡板泵進(jìn)行全流道3D模型網(wǎng)格劃分。由于存在動(dòng)靜區(qū)域，故分別對進(jìn)口區(qū)域、鏡板孔、集油槽、出口彎管和出口環(huán)管進(jìn)行網(wǎng)格劃分,之后在前處理里面通過交界面將各部分進(jìn)行連接。另外，對流動(dòng)梯度大的區(qū)域進(jìn)行局部加密處理。數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，只要全流道網(wǎng)格數(shù)大于558700就可保證數(shù)值模擬結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)無關(guān)。2.33D流場數(shù)值模擬及性能預(yù)測方法為了預(yù)測鏡板泵的夕卜特性曲線，考慮到實(shí)際可能,采用ANSYSCFX對（0.6~1.4）Qd（Qd為設(shè)計(jì)工況下冷卻油的流量）運(yùn)行范圍進(jìn)行3D流場數(shù)值模擬。根據(jù)數(shù)值模擬得到的鏡板泵進(jìn)出口的質(zhì)量加權(quán)平均總壓、壓力對鏡板所做功的功率及黏性力對鏡板所做功的功率,可以預(yù)測計(jì)算鏡板泵的揚(yáng)程、功率和效率［3-5］。2.4不同孔型的流體動(dòng)力性能計(jì)算分析采用前述的3D流場數(shù)值模擬方法對6種形式的鏡板孔搭配同一集油槽的組合進(jìn)行數(shù)值模擬,并預(yù)測計(jì)算不同鏡板泵的外特性曲線如圖5所示。從圖5（a）可以看出，在整個(gè)計(jì)算工況范圍內(nèi)，不同鏡板泵的揚(yáng)程變化趨勢相同，均隨流量的增大而單調(diào)減小。揚(yáng)程由高到低依次是方案B、D、F、E、C、A。主要原因是隨著出口安放角的增大，揚(yáng)程逐漸降低，符合離心泵的揚(yáng)程曲線變化規(guī)律。從圖5（b）可以看出，效率呈現(xiàn)出與揚(yáng)程相同的變化趨勢。效率由高到低依次是方案B、F、D、E、C、A。按能量轉(zhuǎn)換關(guān)系不同,將鏡板泵分解成鏡板（類似于葉輪）和集油槽兩部分。圖6和圖7分別為鏡板和集油槽的效率曲線（鏡板和集油槽效率定義為鏡板或集油槽的輸出能量與輸入能量的比值）。從圖6可以看出,B方案的鏡板效率隨流量增大而呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢，且效率整體最高，這是因?yàn)樵摲桨傅某隹诎卜沤切〔⑴c集油槽匹配較好。其余方案的鏡板在（0.6~1.4）Qd運(yùn)行范圍內(nèi)運(yùn)行效率曲線相對較為平坦,變化范圍較小，鏡板效率由高到低的方案是B、A、E、C、D、F。從圖7可以看出，F(xiàn)和B方案的集油槽效率曲線較為平坦，而其余方案的集油槽效率隨流量的增大而逐漸減小,這是因?yàn)槌隹诎卜沤桥c集油槽匹配不合理、摩擦損失較大所致，集油槽效率由高到低的方案是F、B、D、E、C、A。綜合上述分析可見，鏡板孔的進(jìn)出口安放角對鏡板泵性能影響較大，在結(jié)構(gòu)允許的條件下應(yīng)盡可能采用小的出口安放角和進(jìn)口沖角。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，大多數(shù)情況下較少考慮集油槽的流體動(dòng)力性能，而主要將其作為收集鏡板孔出口流體并將流體輸送到出口循環(huán)冷卻管路的裝置。實(shí)際上集油槽（相當(dāng)于蝸殼）對性能影響很大［6-8］。從上面分析可知，鏡板泵孔型必須與集油槽流道匹配，且集油槽幾何參數(shù)的變化對鏡板泵性能有較大的影響。作為鏡板泵最重要的過流部件之一，必須根據(jù)鏡板孔型進(jìn)行匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面分別計(jì)算分析集油槽的斷面形狀和出口面積對鏡板泵性能的影響。3.1集油槽斷面形狀在原始試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅茫ǚ桨窤）集油槽的矩形（RET）斷面基礎(chǔ)上，再設(shè)計(jì)了梯形（LAD）和圓形（CIR）斷面兩種方案。集油槽按“等速度”規(guī)律設(shè)計(jì)，除集油槽斷面形狀外，鏡板泵其余幾何參數(shù)與不同鏡板孔組合中完全一致。斷面形狀對比如圖8所示。將3種斷面形狀的集油槽與6種形式的鏡板孔分別進(jìn)行配對組合成18個(gè)鏡板泵進(jìn)行性能預(yù)測及分析。圖9為直孔配合3種斷面形式集油槽的外卜特性對比，可以看出:直孔在配合圓形和矩形斷面集油槽時(shí)，鏡板泵揚(yáng)程的相對差異在1.5%以內(nèi),絕對效率差異在2%范圍內(nèi)。對18種組合方案進(jìn)行數(shù)值模擬,對比分析發(fā)現(xiàn),3種斷面形式的集油槽與6種形式的鏡板孔進(jìn)行配合時(shí)，鏡板泵性能相差都在2%以內(nèi)，說明集油槽的斷面形狀對鏡板泵的性能影響很小，設(shè)計(jì)時(shí)可僅從制造工藝的角度考慮而不用顧及斷面形狀對性能的影響。3.2集油槽出口面積采用原始試驗(yàn)方案的鏡板泵（方案A）模型為研究對象,原始模型集油槽出口管徑為65mm。為了分析出口管徑變化對鏡板泵性能的影響，改變集油槽出口面積為原始面積的0.5和2倍,對應(yīng)管徑大致分別為46mm和92mm,除此之外,模型其他幾何參數(shù)保持不變。不同的集油槽出口管徑下鏡板泵外特性如圖10所示，可以看出,出口面積縮小一半時(shí)鏡板泵揚(yáng)程和效率均有所提高，出口面積增大一倍時(shí)揚(yáng)程和效率均出現(xiàn)小幅下降。這說明原始試驗(yàn)方案鏡板泵模型的出口管徑偏大，導(dǎo)致擴(kuò)散損失較大，適當(dāng)減小其出口管徑有利于提高其性能。如前1.3所述的水電機(jī)組，根據(jù)前面的計(jì)算分析,對原試驗(yàn)鏡板泵模型（方案A）進(jìn)行優(yōu)化。因鏡板結(jié)構(gòu)尺寸限制,設(shè)計(jì)鏡板孔的直徑為40mm,考慮到結(jié)構(gòu)要求,取集油槽出口管徑為50mm,并漸擴(kuò)至92mm。為了進(jìn)一步減小整個(gè)集油槽的出口總面積，將集油槽的8個(gè)出口減少至2個(gè)(其出口總面積與管徑為46mm時(shí)基本一致)。這樣既能保證集油槽的軸向尺寸不至于過小，又能有效地減小集油槽的出口總面積。優(yōu)化后的方案流道3D模型如圖11所示。優(yōu)化后鏡板泵的外特性如圖12所示，可以看出,優(yōu)化后鏡板泵在(0.6~1.4)Qd范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)平均揚(yáng)程增加約4m,平均效率提高5.5%。由此可見,在結(jié)構(gòu)允許的情況下,適當(dāng)減小集油槽出口總面積，能使鏡板孔與集油槽的匹配關(guān)系最佳，使得鏡板泵性能提高。在鏡板泵的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先根據(jù)水電站真機(jī)推力軸承冷卻油循環(huán)系統(tǒng)管路布置，采用1D流體動(dòng)力數(shù)值模型計(jì)算管路特性，計(jì)算的管路特性曲線可為鏡板泵的設(shè)計(jì)提供更為準(zhǔn)確的參數(shù)。對于鏡板孔形式選擇，在結(jié)構(gòu)允許的條件下盡可能采用較小的出口安放角和進(jìn)口沖角。集油槽與鏡板孔的匹配問題對鏡板泵性能影響非常大。在集油槽的斷面形狀設(shè)計(jì)時(shí)可以僅從制造工藝的角度考慮而不用顧及斷面形狀對性能的影響。在結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)減小集油槽出口的總面積，但為了降低管路損失，應(yīng)慎重選擇出口管路的形式和管徑。采用基于多工況流場數(shù)值模擬的性能預(yù)測技術(shù)來進(jìn)行鏡板泵設(shè)計(jì)方案分析和性能優(yōu)化與控制是可行的?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]武中德漲宏漲仁江，等.水輪發(fā)電機(jī)鏡板泵外循環(huán)技術(shù)[J].華中電力,2004,17(6):32-34.(WUZhongde,ZHANGHong,ZHANGRenjiang,etal.Technologyofoutercirculationwithrunner-pumpforhydrogenerators[J].CentralChinaElectricPower,2004,17(6):32-34.(inChinese））雷霆湖鑫凡,秦留生.銀盤水電站推力軸承支撐性能及鏡板泵外循環(huán)技術(shù)研究[J].機(jī)電工程2012,29（9）:1042-1045.（LEITing,HUXinfan,QINLiusheng.Researchonthrustsupportsperformanceandrunner-pumpextrinsictechnologyofSilverPlateHydropowerStation[J].Journalofmechanical&ElectricalEngineering,2012,29（9）:1042-1045.（inChinese））賴喜德，張翔，盧珍，等.水力發(fā)電機(jī)組的鏡板泵流體動(dòng)力優(yōu)化研究報(bào)告[R].成都:西華大學(xué),2013.張翔,王洋,徐小敏，等.低比轉(zhuǎn)速離心泵能量轉(zhuǎn)換特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42（7）:75-81.（ZHANGXiang,WANGYang,XUXiaomin,etal.Energyconversioncharacteristicwithinimpelleroflowspecificspeedcentrifugalpump[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalmachinery,2011,42（7）:75-81.（inChinese））LUZhen,LAIXide,ZHANGXiang,etal.Numericalsimulationofinfluenceofoiltankwithdifferentthroatareasonmirror-plate-pumpperfo