“光伏+光熱”電站儲(chǔ)能模塊熱鹽泵設(shè)計(jì)

摘要

高溫?zé)猁}泵是一種用于處理高溫熔鹽溶液的泵，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石油和電力等能源行業(yè)。本文根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)完成了“光伏+光熱”電站儲(chǔ)能模塊熱鹽泵水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及CFD分析，包括熔鹽泵的工作原理、熔鹽泵的選型設(shè)計(jì)、材料選擇，水力模型的構(gòu)建和仿真，木模圖的抽取繪制以及泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在熔鹽泵的選型設(shè)計(jì)方面，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，計(jì)算出泵的主要參數(shù)，同時(shí)選擇了可顯著提高泵的抗腐蝕性的設(shè)計(jì)材料。在CFturbo設(shè)計(jì)軟件上完成水力模型的設(shè)計(jì)。然后使用仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了泵的流量、揚(yáng)程、效率等參數(shù)，說明了這些參數(shù)對(duì)泵的性能影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。在熔鹽泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，本文設(shè)計(jì)了一種雙接管的高溫熔鹽泵結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化泵頭、泵軸和密封結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，提高了泵的密封性和穩(wěn)定性。關(guān)于零部件的設(shè)計(jì)，主要以泵軸和密封為例，介紹了它們的設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高溫熔鹽泵,仿真,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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背景介紹

水泵屬于水力工作機(jī)，即消耗能量的機(jī)械。其作用是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或外部能量轉(zhuǎn)換為液體介質(zhì)的機(jī)械能。泵的種類很多，應(yīng)用非常廣泛，在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代化工業(yè)、現(xiàn)代化國防必不可少的機(jī)器設(shè)備。熔鹽儲(chǔ)能作為單獨(dú)的儲(chǔ)能單元模塊，可以很好匹配火電靈活改造、工業(yè)蒸汽生產(chǎn)需求。目前熱鹽泵儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)等新能源系統(tǒng)，利用了硝酸鹽儲(chǔ)能特性將太陽光熱能轉(zhuǎn)換為熔鹽的內(nèi)能來存儲(chǔ)和發(fā)出能量，可以實(shí)現(xiàn)能量在系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)移，滿足可再生能源的電網(wǎng)調(diào)峰需求。除了光熱領(lǐng)域外，熱鹽儲(chǔ)能在熔鹽儲(chǔ)能供暖、供蒸汽以及火電機(jī)組的靈活改造領(lǐng)域也有很大的競爭優(yōu)勢。

圖1.1熔鹽泵儲(chǔ)能單元

熔鹽儲(chǔ)能分為蓄熱與放熱兩個(gè)工作過程。蓄熱過程采用智能互補(bǔ)系統(tǒng)將風(fēng)電、光伏、夜間低谷電、工業(yè)廢熱作為加熱熔鹽的能源，通過加熱熔鹽存儲(chǔ)可再生能源或低谷電能。放熱過程在換熱系統(tǒng)中高溫熔鹽與水換熱，產(chǎn)生水蒸汽，驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)工作，對(duì)外發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)常與光伏、風(fēng)電、核能等系統(tǒng)相耦合。加熱后產(chǎn)生的蒸汽與用戶側(cè)循環(huán)水回水進(jìn)行換熱，換熱后產(chǎn)生的凝結(jié)水經(jīng)過處理后可回到熔鹽放熱循環(huán)中繼續(xù)循環(huán)使用，換熱后的循環(huán)水供水供熱用戶使用，經(jīng)熱用戶使用后的循環(huán)水回水，再與蒸汽進(jìn)行換熱，完成蒸汽/水換熱循環(huán)。

雙罐系統(tǒng)適用于大面積供暖、工業(yè)蒸汽、發(fā)電、電廠的調(diào)峰、清潔電能的消納等域。

圖1.2雙罐系統(tǒng)

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泵的選型設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)所提供的參數(shù)要求為揚(yáng)程H=78.6m，流量Q=1285.58m3/h，目標(biāo)效率η=72.0%。根據(jù)高溫泵的設(shè)計(jì)要求，熱鹽泵的轉(zhuǎn)速不會(huì)太高，因此泵轉(zhuǎn)速確定為n=1480r/min。為達(dá)到較高的水力效率，本文設(shè)計(jì)的熱鹽泵的泵軸與葉輪相連接，泵的進(jìn)出口直徑，可以由合理的進(jìn)口流速以及轉(zhuǎn)速確定。

由于本次設(shè)計(jì)的熱鹽泵是多級(jí)泵，選擇分級(jí)數(shù)時(shí)，每次分級(jí)的效率都需要單獨(dú)計(jì)算。不同級(jí)數(shù)泵之間的轉(zhuǎn)速，流量是不變的，因此每次計(jì)算只需改變揚(yáng)程，計(jì)算出各自的比轉(zhuǎn)速以及總效率。分析計(jì)算得出的各級(jí)比轉(zhuǎn)速，對(duì)比總效率的變化幅度，選擇提高級(jí)數(shù)后效率不再明顯上升的級(jí)數(shù)作為本次設(shè)計(jì)泵的級(jí)數(shù)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本次設(shè)計(jì)選擇二級(jí)泵。各級(jí)比轉(zhuǎn)速及總效率如下表2.1所示：

表2.1各級(jí)比轉(zhuǎn)速

計(jì)算泵的軸功率和原動(dòng)機(jī)功率，據(jù)此選擇合適的電機(jī)。最后計(jì)算軸徑和輪轂直徑。泵軸的直徑應(yīng)按其可承受的外載荷和剛度及臨界轉(zhuǎn)速條件確定，查閱資料可以確定本次設(shè)計(jì)所需材料的許用應(yīng)力。因?yàn)榕ぞ厥潜幂S最主要的載荷，所以在開始設(shè)計(jì)時(shí)，可按扭矩確定泵軸的最小直徑。本次設(shè)計(jì)采用347H奧氏體不銹鋼，查閱資料可知該不銹鋼在560℃高溫下許用應(yīng)力。同時(shí)應(yīng)根據(jù)所設(shè)計(jì)泵的具體情況，考慮影響剛度和臨界轉(zhuǎn)速的大概因素，可對(duì)初算的軸徑作適當(dāng)?shù)男薷?，并圓整到標(biāo)準(zhǔn)直徑。待泵轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)完成后，再對(duì)軸的強(qiáng)度、剛度和臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行詳細(xì)的校核。

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水力模型設(shè)計(jì)優(yōu)化

葉輪導(dǎo)葉是泵的主要過流部件，是影響工作效率的主要因素，主要作用是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液體的勢能與動(dòng)能。從工藝角度分析，離心泵葉輪屬于旋轉(zhuǎn)圓盤類零件，葉輪的水力設(shè)計(jì)在泵的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性等方面都有極大的應(yīng)用價(jià)值。導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)是建立在葉輪設(shè)計(jì)之后，導(dǎo)葉的作用是收集葉輪出口處的液體并輸送至下一級(jí)葉輪吸入口或出口，減小液體的流動(dòng)速度，其中液體的壓力能是由它所具有的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成的，消除液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，保證液體軸對(duì)稱流出葉輪，從而減少水力損失。在本次設(shè)計(jì)中，采用空間導(dǎo)葉。

本次設(shè)計(jì)利用泵與旋轉(zhuǎn)機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)工具CFturbo軟件對(duì)泵的兩級(jí)葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。CFturbo專業(yè)的葉輪及蝸殼設(shè)計(jì)軟件，其參數(shù)化的設(shè)計(jì)使得軟件的通用性更強(qiáng)，完備的接口可以保證模型向多種CAD/CFD/CAE軟件工具輸出。通過CFturbo與其他建模和仿真工具結(jié)合，可以快速實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到仿真，從優(yōu)化到生產(chǎn)制造的整個(gè)過程的一體化，從而為泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)單位提供一體化的解決方案。打開CFturbo軟件輸入此次設(shè)計(jì)需要的參數(shù)：流量：Q=1285.58m3/h、揚(yáng)程：H=39.3m、轉(zhuǎn)速：n=1480 r/min。然后進(jìn)行葉輪的水力設(shè)計(jì)。

添加葉輪。本次設(shè)計(jì)的泵比轉(zhuǎn)速較小，流量大，揚(yáng)程較高，軸面流道窄而長因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇Radial/Mixed-flow Impeller，即離心/混流葉輪。輸入葉輪進(jìn)口直徑Ds=280mm、葉輪出口直徑D2=380mm和葉輪出口寬度b2=60mm。設(shè)計(jì)軸面投影圖。調(diào)整前后蓋板型線為光滑的曲線，使葉片進(jìn)出口之間的面積均勻變化，將進(jìn)口邊改為流暢的曲線，由于熔鹽泵的設(shè)計(jì)要求，需要將葉片出口設(shè)計(jì)為傾斜20°的斜線，通過調(diào)節(jié)前后蓋板型線使橫截面積呈均勻增大變化，即F-L曲線變成一條斜向上的盡量光滑的曲線，使流道為擴(kuò)張型流道，確保泵的運(yùn)行使流體減速增壓初步完成設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉和葉輪的軸面投影圖如圖3.1和圖3.2所示。

圖3.1葉輪初始軸面投影圖

圖3.2導(dǎo)葉軸面投影圖

輸入泵的主要參數(shù)后，依次設(shè)置葉輪和導(dǎo)葉的葉片屬性，葉輪葉片數(shù)為6，導(dǎo)葉葉片數(shù)為8。調(diào)整葉片型線，進(jìn)行葉片加厚，對(duì)葉片進(jìn)行修圓等操作，完成水力模型的設(shè)計(jì)。

圖3.3熔鹽泵水力模型

從CFturbo中將已經(jīng)構(gòu)建好了的葉輪，導(dǎo)葉模型導(dǎo)出，并設(shè)置繪制網(wǎng)格的參數(shù)。在Ansys TurboGrid中打開葉輪葉片模型，設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量，葉輪的網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為500000，導(dǎo)葉的網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為400000。完成葉輪和導(dǎo)葉的網(wǎng)格模型。然后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入流場計(jì)算的前處理文件中，完成仿真參數(shù)設(shè)置后開始模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果修改本次設(shè)計(jì)的水力模型，設(shè)計(jì)方案的仿真計(jì)算結(jié)果應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的揚(yáng)程和效率，設(shè)計(jì)方案的葉輪和導(dǎo)葉的沖角應(yīng)達(dá)到趨近于零沖角的范圍，同時(shí)在葉輪和導(dǎo)葉的流道中應(yīng)盡可能的避免脫流及漩渦的產(chǎn)生，并使葉片受力均勻。

圖3.4前蓋板葉輪流場

圖3.5前蓋板導(dǎo)葉流場

圖3.6后蓋板葉輪流場

圖3.7后蓋板導(dǎo)葉流場

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木模圖及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將優(yōu)化完成的水力模型從CFturbo中以IGES的形式導(dǎo)出，然后在UG建模軟件中打開此文件，在UG繪圖軟件中抽取出葉輪及導(dǎo)葉的木模圖。導(dǎo)葉軸面投影圖上，在葉片進(jìn)口邊與前蓋板的交點(diǎn)處畫一條平行于x軸的直線。并將這條直線作為移動(dòng)對(duì)象，沿z軸等距復(fù)制11條直線，使這一共12條直線將從葉片進(jìn)口邊與前蓋板的交點(diǎn)到出口邊與后蓋板的交點(diǎn)的距離等距分割，并將這些直線分別編號(hào)0到11。把這12條直線旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)，使每個(gè)切面都把導(dǎo)葉葉片實(shí)體完全切割。然后繪制出每一個(gè)切面與葉片工作面、背面的相交曲線。將這些相交曲線和軸面投影圖都投影到同一平面上，然后保存為dwg格式文件。繪制完成的葉輪及導(dǎo)葉木模圖如圖4.1，4.2所示。

圖4.1葉輪木模圖

圖4.1葉輪木模圖

設(shè)計(jì)泵的總體結(jié)構(gòu)，在CAXA制圖軟件中完成總裝圖的繪制。本次設(shè)計(jì)的是液下泵，為了便于機(jī)組的拆裝、檢修，確定泵為立式放置；從下往上裝，軸徑從上到下變細(xì)。從下到上分別是泵頭部分，連接管道和軸承箱。整軸長度18m，最大液下深度15m。

泵頭部分最下方是過濾網(wǎng)，可以過濾流體中的雜物，防止介質(zhì)中存在雜質(zhì)對(duì)泵的過流效率的影響甚至堵塞過流通道。軸上安裝有襯套，通過螺釘固定連接，起到了密封，磨損保護(hù)等作用，同時(shí)襯套中間開有縫隙，便于零件之間的配合，因此襯套安裝方式較為簡單，當(dāng)泵工作一定時(shí)間，襯套磨損嚴(yán)重時(shí)，可以通過直接更換襯套來對(duì)泵進(jìn)行維修。由于襯套是固定件，不能直接與主軸相連，因此軸與襯套需要通過軸套相隔開，軸套上還安裝了緊定螺釘，防止軸套滑移。而軸套需要跟隨主軸旋轉(zhuǎn)，所以襯套與軸套之間也開有縫隙，作為旋轉(zhuǎn)件和非旋轉(zhuǎn)件之間的間隔，防止襯套產(chǎn)生過多磨損，也減少了泵的效率損耗。如圖4.3為泵頭部分結(jié)構(gòu)圖。

圖4.3泵頭

設(shè)計(jì)連接管道部分每個(gè)法蘭之間的間距為2000mm，共六個(gè)連接件，通過螺栓連接在一起。法蘭旁邊加裝了支撐板，用以加強(qiáng)管道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時(shí)本次設(shè)計(jì)的連接管道采用雙管的形式，這種設(shè)計(jì)在輸送熔鹽介質(zhì)時(shí)，擁有比單管更好的性能。同時(shí)可以使泵在較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，提高泵的效率和性能，并加強(qiáng)泵的耐久性和可靠性。接管中的軸套作用是平衡軸承帶來的軸向力，防止滑動(dòng)軸承向下滑移，提高泵接管的穩(wěn)定性?；瑒?dòng)軸承對(duì)主軸起支撐作用，減小泵工作時(shí)產(chǎn)生的傳動(dòng)阻力，防止磨損過多。如圖4.4為連接管道的結(jié)構(gòu)圖。

圖4.4連接管道

最后是軸承箱部分，軸承箱下方與接管相連，上方安裝電機(jī)，根據(jù)計(jì)算得出的功率，本次設(shè)計(jì)選擇的電機(jī)為Y系列355型號(hào)的立式電機(jī)。軸承箱通過底板與過流管道連接在一起，底板作為承重件，需要承擔(dān)整個(gè)軸承箱箱以及電機(jī)的重量，因此設(shè)計(jì)得較厚。填料密封通過壓蓋和螺栓帶來的軸向預(yù)緊力的作用使填料產(chǎn)生軸向壓縮變形,同時(shí)引起填料產(chǎn)生膨脹的趨勢,而填料的膨脹又受到軸表面的阻礙作用,使其與兩表面之間產(chǎn)生緊貼,間隙被填塞而達(dá)到密封的作用。填料密封的一端安裝有通氣孔，用來通入惰性氣體，可以減少主軸以及其他精密部件的氧化，提高泵的使用壽命。本次設(shè)計(jì)使用的是圓錐滾子軸承，可以平衡泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的徑向力和軸向力。泵工作時(shí)軸承和主軸由于高速旋轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使軸承箱內(nèi)溫度升高，因此需要在軸承箱內(nèi)兩端分別安裝下風(fēng)葉和上風(fēng)葉用來散熱，防止溫度過高影響泵的運(yùn)行效率。軸承箱上端是簧片聯(lián)軸器，由簧片和簧片套組成，其作用是連接軸承箱和電機(jī)連接起來，起到傳遞扭矩的作用。軸承箱結(jié)構(gòu)如圖4.5所示。

圖4.5軸承箱

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結(jié)論

本文根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求計(jì)算出所需要的功率，軸徑等數(shù)據(jù)，完成選型設(shè)計(jì)。然后在CFturbo水力設(shè)計(jì)軟件中輸入泵的基本參數(shù)，分別設(shè)置葉輪和導(dǎo)葉的軸面投影圖，葉片型線和葉片加厚，完成泵的水力模型設(shè)計(jì)。將葉輪和導(dǎo)葉模型導(dǎo)出后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在CFX仿真軟件里分別完成泵在1.1，1.0和0.9倍流量工況下的仿真計(jì)算。對(duì)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)和流場進(jìn)行分析并提出優(yōu)化方案，修改水力模型，直到水力模型仿真結(jié)果中的揚(yáng)程和效率滿足設(shè)計(jì)要求，流場優(yōu)秀。然后在3D軟件里抽取出葉輪和導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)的木模圖，最后在CAXA制圖軟件里完成泵的總裝圖繪制。

（作者：夏洪  指導(dǎo)老師：金永鑫）