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基于数值模拟的LUV泵压水室尺寸优化研究

作　者: 范谊章
导　师: 刘树红
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 锅炉循环泵 数值模拟 压水室 水力性能 应力安全
分类号: TM621.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 5次
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内容摘要


LUV泵是德国KSB泵阀集团公司的主打系列产品，主要用作火力发电厂的锅炉循环泵。工程上对锅炉循环泵的主要要求包括安全性和经济性。因此，研究LUV泵的压水室尺寸优化等降低成本的工作成为了工程需求。本论文采用数值模拟的方法，通过计算流体力学（CFD）技术研究改变LUV泵压水室内径后的水力性能，选择优化的内径，并分析压力脉动性能考察内径优化泵的水力稳定性；通过有限元方法（FEM）技术研究不同压水室内径、压水室壁厚和泵壳材料的泵壳的应力安全性能，选择合适的压水室壁厚和泵壳材料。对LUV泵建立了合理的水力计算方法。几何模型是包含进、出水管延长段流域和上、下盖板间隙流域的离心泵全流道三维计算模型。网格划分全部实现了质量较高的六面体网格。计算根据叶片y值采用SST k-ω模型进行了常温常压工作条件的计算，采用RNG k-ε模型进行了高温高压工作条件的计算。常温常压条件下对密封环简化为平滑圆环间隙密封环的计算是主要计算方法。高温高压条件下的计算支持了主要计算方法的参考价值，即常温常压结果结合Karassik方程做修正可预测高温高压条件结果。对菱形蜂窝密封环和平滑圆环间隙密封环的单独计算支持了计算方法的合理性，并提供了根据泄漏量预测采用菱形蜂窝密封环时的性能的修正方法。对压水室内径做了0.750D40、0.875D40、D40和1.125D40共4组计算（D40为原LUV泵压水室内径），0.750D40压水室内径泵的无量纲水力效率下降过大，达9.79%；另外三组压水室内径泵的水力性能相近。综合考虑泵水力效率和泵壳材料成本，压水室内径优化为0.875D40。比较了原泵和内径优化泵的压力脉动性能，验证了内径优化泵没有造成新的水力稳定性问题；同时由高温高压条件下的压力脉动性能分析支持了应力安全分析中将泵壳内表面压力视为均匀载荷的合理性。自编了程序辅助完成应力安全计算，验证了内径优化泵的泵壳是应力安全的。基于不同压水室内径、压水室壁厚和泵壳材料的泵壳应力安全性能分析，得出了两套节约成本的泵壳方案，分别为0.875D40内径、T0壁厚（原壁厚）的锻造材料泵壳和0.875D40内径、0.875T0壁厚的铸造材料泵壳。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
主要符号对照表  8-10
第1章 绪论  10-21
  1.1 选题意义  10-12
  1.2 研究现状  12-19
    1.2.1 锅炉循环泵研究现状  12-14
    1.2.2 泵壳研究现状  14-15
    1.2.3 湍流模拟研究现状  15-18
    1.2.4 压力容器应力安全模拟研究现状  18-19
  1.3 本文的主要研究工作  19-21
第2章 LUV 泵水力性能预测  21-40
  2.1 LUV 泵计算方法  21-30
    2.1.1 计算模型  21-23
    2.1.2 网格划分  23-26
    2.1.3 无关性验证  26-29
    2.1.4 边界条件设置  29-30
  2.2 定常计算性能预测  30-34
    2.2.1 常温常压定常计算性能预测  30-32
    2.2.2 高温高压定常计算性能预测  32-34
  2.3 密封环性能讨论  34-39
    2.3.1 计算方法  34-37
    2.3.2 性能讨论  37-39
  2.4 本章小结  39-40
第3章 LUV 泵压水室内径优化  40-56
  3.1 LUV 泵压水室内径参考值  40-41
  3.2 CFD 计算结果  41-44
  3.3 分析与讨论  44-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章 LUV 泵及内径优化泵的压力脉动分析  56-85
  4.1 监测点布置说明  56-57
  4.2 LUV 泵常温常压条件下压力脉动分析  57-74
    4.2.1 间隙流域压力脉动分析  57-65
    4.2.2 导叶流域压力脉动分析  65-69
    4.2.3 压水室流域压力脉动分析  69-74
  4.3 内径优化泵常温常压条件下压力脉动分析  74-78
  4.4 LUV 泵高温高压条件下压力脉动分析  78-83
  4.5 本章小结  83-85
第5章 泵壳壁厚优化和材料讨论  85-99
  5.1 泵壳应力安全计算方法  85-89
    5.1.1 计算模型  85-87
    5.1.2 网格划分  87
    5.1.3 静态强度安全计算条件设置  87-88
    5.1.4 低周疲劳安全计算条件设置  88-89
  5.2 自编程序说明  89-91
  5.3 静态强度安全分析  91-95
    5.3.1 静态强度安全校核  91-93
    5.3.2 静态强度安全性能讨论  93-95
  5.4 低周疲劳安全分析  95-97
  5.5 压水室尺寸优化最终方案  97
  5.6 本章小结  97-99
第6章 结论  99-101
参考文献  101-105
致谢  105-107
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  107

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 发电、发电厂 > 发电厂 > 火力发电厂、热电站 > 锅炉及燃烧系统
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