660MW汽轮机组油涡轮泵转动部件的“流体—结构”耦合分析

论文摘要

油系统是核电和火电用汽轮机组的重要组成部分之一,对于600MW及以上更大单机容量的机组,一般采用“主油泵、油涡轮与升压泵”组成的供油系统,其油涡轮升压泵是油系统的关键设备之一。油涡轮升压泵既要供给主油泵一定量的压力油,同时又负担向润滑系统供油,并动态保持整个油系统的平衡,其性能对于整个油系统的安全稳定运行起着关键作用。随着汽轮发电机组的巨型化发展,其供油系统的适应性和可靠性要求越来越高,相应地对配套油涡轮升压泵的结构设计也提出了更高的要求。但是无论是关于油涡轮泵的流体动力设计还是结构分析,目前的文献和报道都比较少。通过对油涡轮泵转动部件进行“流体-结构”耦合分析,了解油涡轮泵内流场的基本特性,分析掌握工作状态下流体对结构的动态特性影响,实现了油涡轮泵转动部件结构优化设计和可靠性分析,这对提高产品的性能及安全可靠性、保证机组的安全运行、及涡轮泵的国产化和自主创新等都具有重要意义。本文结合四川省科技支撑计划重点攻关项目（2008GZ0072）及中国东方电气集团东方汽轮机公司委托项目研究开发,针对东方汽轮机公司出口 60Hz的660MW汽轮机组油涡轮泵的自主研制和创新方面的关键技术问题进行研究,探索油涡轮升压泵的“流体-结构”耦合的结构静力学和振动模态分析。首先分析了实现660MW汽轮机组油系统油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合的相关理论基础。其次在深入研究油涡轮泵内流场流体动力特性的基础上,对油涡轮泵内流场进行数值模拟分析获得油涡轮和升压泵叶轮流道流场分布。然后将计算得到的过流表面上流体压力作为载荷施加给油涡轮泵转动部件,进行油涡轮泵转动部件的静力学分析,掌握各部件的应力、变形等力学特性。最后将静力学分析结果作为初始条件进行油涡轮泵转动部件的“流体-结构”耦合振动模态分析,得到油涡轮泵转动部件在空气中和在油中两种情况下运行的自振频率和模态振型等动力学特性。通过“流体-结构”耦合分析,实现涡轮泵转动部件结构特性分析和安全评估。对60Hz的660MW汽轮机组油涡轮泵的“流体-结构”耦合分析计算结果表明:油涡轮泵转动部件的最大变形量、最大应力值均大大低于许可值,且其机组的工作频率远低于各阶固有频率,具有很大的安全余度。同时由对比分析结果得出:空载时油涡轮泵转动部件的应力和变形值小于其正常工况运行时的应力和和变形,而转动部件在油中的各阶固有频率较其在空气中则有所降低,但都处于很安全的范围内。该实例分析计算结果也证明文中方法和技术路线是可行的。本文的方法已成功应用于东方汽轮机公司出口 60Hz的660MW汽轮机组油涡轮泵设计中,为实现60Hz的大型汽轮机组配套的油涡轮泵的国内自主研制和创新奠定了技术基础。文中方法和技术路线不仅满足工程实际要求,而且还可缩短研发周期,降低开发成本,可进一步推广到类似的叶片式流体机械设计过程中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 课题来源及名称
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题名称
• 1.2 课题背景、目的和意义
• 1.2.1 课题的工程背景
• 1.2.2 课题研究的目的
• 1.2.3 课题研究的意义
• 1.3 国内外相关研究现状和发展趋势
• 1.3.1 汽轮机组油系统的发展及主要形式
• 1.3.2 油系统中油涡轮泵的运行特点及要求
• 1.3.3 “流体-结构”耦合分析的研究现状及其在叶片式机械中的应用
• 1.4 本文的主要研究内容及技术路线
• 2 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合分析理论基础
• 2.1 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合分析的必要性
• 2.2 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合分析方法的选择
• 2.3 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合问题的处理方法
• 2.4 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合分析中的数值方法
• 2.4.1 流场分析使用基于有限元的有限体积法
• 2.4.2 结构分析使用有限元法
• 2.5 数值模拟中的油涡轮泵三维几何造型
• 2.5.1 油涡轮泵流体域三维几何模型
• 2.5.2 油涡轮泵转子结构分析的三维几何模型
• 2.6 数值模拟中边界和约束条件的施加
• 2.6.1 流场分析的边界条件
• 2.6.2 结构分析的约束条件
• 3 油涡轮泵流场全流道数值模拟
• 3.1 油涡轮泵流场数值模拟的基本控制方程
• 3.1.1 质量守恒方程
• 3.1.2 动量方程
• 3.1.3 湍流模型
• 3.2 油涡轮泵内部流场的数值计算方法及网格划分
• 3.2.1 数值离散方法
• 3.2.2 流场的求解方法
• 3.2.3 流场的网格划分
• 3.3 油涡轮泵流场的数值模拟结果及结果分析
• 3.3.1 设计转速下的数值模拟分析
• 3.3.2 最大转速条件下（n=1750rpm）的模拟结果
• 4 油涡轮泵转动部件的“流体-结构”耦合结构静力学分析
• 4.1 油涡轮泵转动部件结构静力学分析的弹性力学基础
• 4.2 有限元法基本理论
• 4.2.1 单元的形函数
• 4.2.2 单元的刚度阵和质量阵
• 4.3 油涡轮泵转动部件的结构静力学有限元分析步骤
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 静力学分析的有限元平衡方程
• 4.4 油涡轮泵转动部件的结构静力学计算及结果分析
• 4.4.1 设计工况下的结构静力学分析
• 4.4.2 最大转速工况下的结构静力学分析
• 5 油涡轮泵转动部件“流体-结构”耦合振动结构模态分析
• 5.1 油涡轮泵转动部件振动模态的有限元法分析
• 5.2 油涡轮泵转动部件模态提取的方法
• 5.3 油涡轮泵转动部件模态分析结果及分析
• 5.3.1 不考虑油压力时的模态分析
• 5.3.2 考虑油压力时的模态分析
• 5.3.3 振动模态结果分析
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果
• 致谢