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“光伏+光熱”電站儲能模塊熱鹽泵設(shè)計

摘要

高溫熱鹽泵是一種用于處理高溫熔鹽溶液的泵，廣泛應用于化學、石油和電力等能源行業(yè)。本文根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)完成了“光伏+光熱”電站儲能模塊熱鹽泵水力及結(jié)構(gòu)設(shè)計及CFD分析，包括熔鹽泵的工作原理、熔鹽泵的選型設(shè)計、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)計等內(nèi)容。在熔鹽泵的選型設(shè)計方面，根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，計算出泵的主要參數(shù)，同時選擇了可顯著提高泵的抗腐蝕性的設(shè)計材料。在CFturbo設(shè)計軟件上完成水力模型的設(shè)計。然后使用仿真軟件進行模擬計算。根據(jù)計算結(jié)果分析了泵的流量、揚程、效率等參數(shù)，說明了這些參數(shù)對泵的性能影響，并提出了相應的優(yōu)化方案。在熔鹽泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，本文設(shè)計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，提高了泵的密封性和穩(wěn)定性。關(guān)于零部件的設(shè)計，主要以泵軸和密封為例，介紹了它們的設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)要點。

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

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背景介紹

水泵屬于水力工作機，即消耗能量的機械。其作用是把原動機的機械能或外部能量轉(zhuǎn)換為液體介質(zhì)的機械能。泵的種類很多，應用非常廣泛，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有廣泛應用，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器設(shè)備。熔鹽儲能作為單獨的儲能單元模塊，可以很好匹配火電靈活改造、工業(yè)蒸汽生產(chǎn)需求。目前熱鹽泵儲能技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)等新能源系統(tǒng)，利用了硝酸鹽儲能特性將太陽光熱能轉(zhuǎn)換為熔鹽的內(nèi)能來存儲和發(fā)出能量，可以實現(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，熱鹽儲能在熔鹽儲能供暖、供蒸汽以及火電機組的靈活改造領(lǐng)域也有很大的競爭優(yōu)勢。

圖1.1熔鹽泵儲能單元

熔鹽儲能分為蓄熱與放熱兩個工作過程。蓄熱過程采用智能互補系統(tǒng)將風電、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)動渦輪機工作，對外發(fā)電。熔鹽儲能系統(tǒng)常與光伏、風電、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

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

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

表2.1各級比轉(zhuǎn)速

計算泵的軸功率和原動機功率，據(jù)此選擇合適的電機。最后計算軸徑和輪轂直徑。泵軸的直徑應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)計所需材料的許用應力。因為扭矩是泵軸最主要的載荷，所以在開始設(shè)計時，可按扭矩確定泵軸的最小直徑。本次設(shè)計采用347H奧氏體不銹鋼，查閱資料可知該不銹鋼在560℃高溫下許用應力。同時應根據(jù)所設(shè)計泵的具體情況，考慮影響剛度和臨界轉(zhuǎn)速的大概因素，可對初算的軸徑作適當?shù)男薷?，并圓整到標準直徑。待泵轉(zhuǎn)子設(shè)計完成后，再對軸的強度、剛度和臨界轉(zhuǎn)速進行詳細的校核。

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水力模型設(shè)計優(yōu)化

葉輪導葉是泵的主要過流部件，是影響工作效率的主要因素，主要作用是把原動機的機械能轉(zhuǎn)化為液體的勢能與動能。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)計在泵的經(jīng)濟性、節(jié)能性等方面都有極大的應用價值。導葉的水力設(shè)計是建立在葉輪設(shè)計之后，導葉的作用是收集葉輪出口處的液體并輸送至下一級葉輪吸入口或出口，減小液體的流動速度，其中液體的壓力能是由它所具有的動能轉(zhuǎn)換成的，消除液體的旋轉(zhuǎn)運動，保證液體軸對稱流出葉輪，從而減少水力損失。在本次設(shè)計中，采用空間導葉。

本次設(shè)計利用泵與旋轉(zhuǎn)機械專業(yè)設(shè)計工具CFturbo軟件對泵的兩級葉輪進行設(shè)計。CFturbo專業(yè)的葉輪及蝸殼設(shè)計軟件，其參數(shù)化的設(shè)計使得軟件的通用性更強，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，可以快速實現(xiàn)從設(shè)計到仿真，從優(yōu)化到生產(chǎn)制造的整個過程的一體化，從而為泵等旋轉(zhuǎn)機械的設(shè)計單位提供一體化的解決方案。打開CFturbo軟件輸入此次設(shè)計需要的參數(shù)：流量：Q=1285.58m3/h、揚程：H=39.3m、轉(zhuǎn)速：n=1480 r/min。然后進行葉輪的水力設(shè)計。

添加葉輪。本次設(shè)計的泵比轉(zhuǎn)速較小，流量大，揚程較高，軸面流道窄而長因此設(shè)計時選擇Radial/Mixed-flow Impeller，即離心/混流葉輪。輸入葉輪進口直徑Ds=280mm、葉輪出口直徑D2=380mm和葉輪出口寬度b2=60mm。設(shè)計軸面投影圖。調(diào)整前后蓋板型線為光滑的曲線，使葉片進出口之間的面積均勻變化，將進口邊改為流暢的曲線，由于熔鹽泵的設(shè)計要求，需要將葉片出口設(shè)計為傾斜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，使流道為擴張型流道，確保泵的運行使流體減速增壓初步完成設(shè)計的導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)置葉輪和導葉的葉片屬性，葉輪葉片數(shù)為6，導葉葉片數(shù)為8。調(diào)整葉片型線，進行葉片加厚，對葉片進行修圓等操作，完成水力模型的設(shè)計。

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，導葉模型導出，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，導葉的網(wǎng)格數(shù)目設(shè)置為400000。完成葉輪和導葉的網(wǎng)格模型。然后將網(wǎng)格模型導入流場計算的前處理文件中，完成仿真參數(shù)設(shè)置后開始模擬計算。根據(jù)計算的結(jié)果修改本次設(shè)計的水力模型，設(shè)計方案的仿真計算結(jié)果應達到設(shè)計要求的揚程和效率，設(shè)計方案的葉輪和導葉的沖角應達到趨近于零沖角的范圍，同時在葉輪和導葉的流道中應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前蓋板導葉流場

圖3.6后蓋板葉輪流場

圖3.7后蓋板導葉流場

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木模圖及結(jié)構(gòu)設(shè)計

將優(yōu)化完成的水力模型從CFturbo中以IGES的形式導出，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葉的木模圖。導葉軸面投影圖上，在葉片進口邊與前蓋板的交點處畫一條平行于x軸的直線。并將這條直線作為移動對象，沿z軸等距復制11條直線，使這一共12條直線將從葉片進口邊與前蓋板的交點到出口邊與后蓋板的交點的距離等距分割，并將這些直線分別編號0到11。把這12條直線旋轉(zhuǎn)一定度數(shù)，使每個切面都把導葉葉片實體完全切割。然后繪制出每一個切面與葉片工作面、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)計的是液下泵，為了便于機組的拆裝、檢修，確定泵為立式放置；從下往上裝，軸徑從上到下變細。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，磨損保護等作用，同時襯套中間開有縫隙，便于零件之間的配合，因此襯套安裝方式較為簡單，當泵工作一定時間，襯套磨損嚴重時，可以通過直接更換襯套來對泵進行維修。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)計連接管道部分每個法蘭之間的間距為2000mm，共六個連接件，通過螺栓連接在一起。法蘭旁邊加裝了支撐板，用以加強管道的結(jié)構(gòu)強度。同時本次設(shè)計的連接管道采用雙管的形式，這種設(shè)計在輸送熔鹽介質(zhì)時，擁有比單管更好的性能。同時可以使泵在較短的時間內(nèi)完成更多的工作，提高泵的效率和性能，并加強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，防止滑動軸承向下滑移，提高泵接管的穩(wěn)定性?；瑒虞S承對主軸起支撐作用，減小泵工作時產(chǎn)生的傳動阻力，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，根據(jù)計算得出的功率，本次設(shè)計選擇的電機為Y系列355型號的立式電機。軸承箱通過底板與過流管道連接在一起，底板作為承重件，需要承擔整個軸承箱箱以及電機的重量，因此設(shè)計得較厚。填料密封通過壓蓋和螺栓帶來的軸向預緊力的作用使填料產(chǎn)生軸向壓縮變形,同時引起填料產(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)計使用的是圓錐滾子軸承，可以平衡泵運行時產(chǎn)生的徑向力和軸向力。泵工作時軸承和主軸由于高速旋轉(zhuǎn)，會產(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)兩端分別安裝下風葉和上風葉用來散熱，防止溫度過高影響泵的運行效率。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)計任務(wù)書的要求計算出所需要的功率，軸徑等數(shù)據(jù)，完成選型設(shè)計。然后在CFturbo水力設(shè)計軟件中輸入泵的基本參數(shù)，分別設(shè)置葉輪和導葉的軸面投影圖，葉片型線和葉片加厚，完成泵的水力模型設(shè)計。將葉輪和導葉模型導出后進行網(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算。對計算得出的數(shù)據(jù)和流場進行分析并提出優(yōu)化方案，修改水力模型，直到水力模型仿真結(jié)果中的揚程和效率滿足設(shè)計要求，流場優(yōu)秀。然后在3D軟件里抽取出葉輪和導葉對應的木模圖，最后在CAXA制圖軟件里完成泵的總裝圖繪制。

（作者：夏洪  指導老師：金永鑫）