3DG鍋爐給水泵徑向?qū)~的無駝峰設(shè)計與分析

陳 麗 ，尤保健 ，2，施 亮 ，蘆洪鐘 ，張 揚

（1.上海凱泉泵業(yè)（集團）有限公司，上海 201804；2.合肥凱泉電機電泵有限公司，合肥 230011；3.江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013）

0 引言

某電廠新建2×350 MW燃煤超臨界間接空冷汽輪發(fā)電機組使用了3DG鍋爐給水泵設(shè)備，用途為：在機組啟動階段，向鍋爐連續(xù)供水并向鍋爐過熱器、再熱器及汽輪機高壓旁路供減溫水。水泵性能參數(shù)為：設(shè)計流量Q=400 m3/h，設(shè)計總揚程1 366 m，單級揚程H按照152 m進行設(shè)計，共9級葉輪，采用徑向?qū)~結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速n=2 990 r/min。項目要求給水泵組的流量與揚程的關(guān)系曲線應(yīng)是無駝峰的運行穩(wěn)定曲線，從額定流量到零流量的揚程應(yīng)是穩(wěn)定上升。鍋爐給水泵之所以對流量-揚程曲線有無駝峰的要求，是因為有駝峰的揚程曲線是不穩(wěn)定的，當鍋爐有兩臺給水泵并聯(lián)供水時，容易造成其中一臺泵過載并產(chǎn)生管路振動，故消除駝峰是很有必要的［1-5］。

影響駝峰的因素很多，從葉輪水力設(shè)計的幾何參數(shù)來說，葉片數(shù)、葉片包角、出口安放角、葉片形狀等都會對揚程曲線是否出現(xiàn)駝峰產(chǎn)生一定的影響［6］。由于國家對節(jié)能減排越來越重視，而3DG鍋爐給水泵的功率相當大，水泵效率每提高1%，一年即可節(jié)省相當可觀的電費，所以效率指標也是需要保證的。葉輪的水力優(yōu)化設(shè)計完成之后，其水力效率較高，若對其幾何參數(shù)進行改動，會對效率有影響，所以可從徑向?qū)~的設(shè)計上進行研究，找出消除駝峰的方法。

由于在葉輪與導葉的匹配關(guān)系中，導葉的進口安放角對性能起到重要作用，故可從導葉進口安放角的取值大小進行分析，找出可消除駝峰的最佳取值。

近年來，CFD技術(shù)已經(jīng)日漸趨于成熟，在水泵行業(yè)的研究中得到了大量運用，而且解決了許多實際問題。趙興艷［7］、韓娜［8］、傅飛［9］、鄭玉彬等諸多學者和研究人員利用CFD技術(shù)對離心泵做了大量研究，為水泵的性能改進和優(yōu)化設(shè)計提供許多可以參考的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)［10-18］。故可借助CFD技術(shù)對水泵性能參數(shù)進行模擬計算，并繪制出不同方案下的性能曲線，從而判斷該曲線是否有駝峰，最后通過試驗驗證，從而達到研究和解決問題的目的。

1 葉輪的軸面幾何參數(shù)

葉輪的軸面投影如圖1所示，其幾何參數(shù)取值見表1。該葉輪的優(yōu)化設(shè)計已完成，其性能參數(shù)、效率指標均達到設(shè)計要求?；谠撊~輪方案設(shè)計徑向?qū)~與之相配，以達到無駝峰的設(shè)計目的。

圖1 葉輪軸面投影示意

表1 葉輪軸面投影圖幾何參數(shù)取值 mm

2 徑向?qū)~的設(shè)計與分析

2.1 徑向?qū)~的方案設(shè)計

鍋爐給水泵使用的導葉為徑向?qū)~或流道式導葉，考慮鑄造和加工的方便性，本次設(shè)計使用徑向?qū)~。徑向?qū)~的作用主要是將一部分動能轉(zhuǎn)化為壓能，并使液體轉(zhuǎn)變方向，流入下一級葉輪的進口。進口沖角是影響導葉形狀和流動性一個重要參數(shù)，為改善導葉形狀，進口沖角一般取正值，即導葉進口安放角大于液流角，沖角取值范圍通常是 3°～8°［6］。由于大沖角會使徑向?qū)~的外徑加大，基于整泵結(jié)構(gòu)考慮，故優(yōu)先選取小沖角；同時，在取值范圍的中間值附近以1°為間隔進行取值，在偏離常用取值范圍的區(qū)域以2°為間隔進行取值。為研究進口沖角對水泵性能的影響，并分析使流動特性達到最佳的沖角取值，分別取進口沖角為 0°、2°、4°、5°、6°等 5 個數(shù)值進行徑向?qū)~的設(shè)計，并進行流動特性的研究。

5個徑向?qū)~方案的基圓直徑、進口寬度、葉片的數(shù)量、導葉外徑、反導葉的形狀和尺寸等參數(shù)均相同，僅改變進口沖角及相應(yīng)的螺旋線和擴散段。5個方案的徑向?qū)~的代號為DY0、DY2、DY4、DY5、DY6，代號中的數(shù)字表示進口沖角的度數(shù)。徑向?qū)~的主要幾何參數(shù)見表2。

表2 徑向?qū)~的主要幾何參數(shù)

為了確保數(shù)值計算的準確性，現(xiàn)對進口沖角為0°的方案在設(shè)計流量下進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，驗證結(jié)果見表3。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

由表3可知：雖然5組網(wǎng)格單元總數(shù)相差較大（相鄰兩組相差約1.3倍），但計算揚程偏差較小，當網(wǎng)格總數(shù)達到5 568 699后，計算的揚程變化很小，偏差在0.5%以內(nèi)。綜合考慮計算資源與計算準確性，選取網(wǎng)格單元總數(shù)為5 568 699的網(wǎng)格精度進行所有方案的數(shù)值計算，5個方案的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 徑向?qū)~的網(wǎng)格

2.2 基于CFD的徑向?qū)~流動機理分析

將已經(jīng)完成優(yōu)化設(shè)計的次級葉輪分別與5個徑向?qū)~組合并進行CFD模擬計算，對各方案設(shè)計流量點（400 m3/h）處的流態(tài)分布進行分析：圖3示出了葉輪內(nèi)壓力分布，由圖可知，改變沖角對葉輪流道內(nèi)壓力分布沒有影響，但對葉輪出口處壓力分布有顯著影響，隨著沖角增大，葉輪出口處出現(xiàn)局部高壓區(qū)，分布不均勻；圖4示出了反導葉內(nèi)速度分布，由圖可知，反導葉入口處均存在回流旋渦，但反導葉流道內(nèi)流速分布均勻，流動結(jié)構(gòu)較好。

圖3 徑向?qū)~內(nèi)壓力分布

圖4 反導葉內(nèi)速度分布

2.3 各方案的性能曲線分析

為了全面分析各方案下給水泵性能，對以上5 個方案分別進行流量為 100，250，363.5，400，500 m3/h的模擬計算，繪制出5個方案的性能曲線如圖5所示。從圖中可以看出，改變正導葉進口沖角對泵效率無顯著影響；在沖角為0°、2°、4°和6°時，流量-揚程曲線均出現(xiàn)駝峰；沖角為5°時，高效點在設(shè)計流量處，且流量-揚程曲線無駝峰，故符合設(shè)計需求。

圖5 各方案的性能曲線

3 試驗結(jié)果及分析

3DG鍋爐給水泵性能試驗所使用的鍋爐給水泵試驗臺精度達到《GB/T 3216-2016 回轉(zhuǎn)動力泵 水力性能驗收試驗1級和2級》：1級。性能試驗介質(zhì)為常溫清水，性能曲線如圖6所示，由圖可知，該泵流量-揚程曲線無明細駝峰，從額定流量到零流量的揚程穩(wěn)定上升，滿足設(shè)計要求。

圖6 3DG鍋爐給水泵性能曲線

4 結(jié)語

（1）以3DG鍋爐給水泵的徑向?qū)~為研究對象，對徑向?qū)~取不同的進口沖角進行水力設(shè)計，并基于CFD模擬計算對各個方案進行了流動機理分析。

（2）改變進口沖角可以有效地消除或減小水泵流量-揚程曲線的駝峰，針對文中具體的參數(shù)進行研究，在沖角為5°時水泵的流態(tài)最好、流量-揚程曲線的駝峰得以消除。

（3）通過對水泵樣機進行性能試驗，發(fā)現(xiàn)試驗得出的流量-揚程曲線沒有明顯駝峰，與CFD模擬計算結(jié)果吻合。