電站鍋爐給水泵性能的數值模擬

牛應才 劉林城

【摘 要】 闡述電站鍋爐給水泵的基本理論，建立給水泵的二維模型，采用RNG k-ε湍流模型，應用大型商用CFD軟件FLUENT對葉輪內的流場進行了數值模擬，得到給水泵內部的流動性能，例如動壓分布、速度分布以及湍流強度等，結果表明：蝸殼內部分區域湍流強度較大，相應區域容易發生汽蝕，這是影響水泵壽命的主要原因。所得結論可為鍋爐給水泵的日常維護與設計優化等工作，提供一定的參考依據。

【關鍵詞】 鍋爐給水泵 二維模型 湍流 模擬

【Abstract】 Describes the basic power plant boiler feed pump theory， to a two-dimensional model of the pump， using RNG k-ε turbulence model， large-scale commercial application of CFD software FLUENT impeller flow field within the numerical simulation， the flow properties of the internal feed pump， such as dynamic pressure distribution， velocity and turbulence intensity distributions， the results show： a large part of the region within the volute turbulence intensity， the corresponding region prone to cavitation， which is the main impact of the pump life. Its analysis and conclusions can be to overhaul the pump design optimization work to provide references.

【Key words】 Boiler feed pump； two-dimensional model； turbulence； simulation

1 引言

給水泵是電站的主要輔助設備之一，同時也是耗電最多的輔機，隨著近些年電站機組的擴大，這個特征更加顯著化，如果設計與維護不當，將會帶來較大的能量耗費，對電站的經濟性運行帶來影響。所以，在新時期的市場經濟背景下，對電站鍋爐給水泵進行內部流動性能研究，顯得尤為重要，并且要按照實際狀況，確定優化設計方案以加強日常維護工作，也是當前的重要工作[1]。

近年來，已有多位相關學者對水泵做過一系列的研究，朱榮生、付強[2]等通過兩相流的混合模型，對水泵葉輪內的汽蝕流場做了數值分析；李偉、施衛東[3]等采用計算流體動力學軟件CFX對冷卻水泵的湍流流場進行了模擬；何增光、楊桂利[4]等探討了提高電站鍋爐給水泵效率的策略，為改善電站機組的經濟性運行提供借鑒意義。由于試驗條件有限等不利因素的限制，水泵內部流動特性不能進行實時的分析，本文運用FLUENT軟件，基于RNG k-ε湍流方程，結合有限體積法對控制方程進行離散，在水泵轉速為1280rpm的工況下，對給水泵內部流場進行仿真模擬，并將仿真結果與試驗數據進行對比分析，為電站鍋爐給水泵的優化設計及日常維護工作提供相應的參考依據[5]。

2 模型的建立

2.1 物理模型

按照給水泵的實際研究結構和尺寸，利用AutoCAD軟件建立物理模型，使其與實物的尺寸相符，所要研究的計算區域及相應的尺寸如圖1和表1所示：

2.2 數學模型及邊界條件的設定

2.2.1 數學模型

采用FLUENT6.3研究給水泵葉輪內的流場，利用gambit 軟件進行網格的劃分，得到的網格數目約為1.5萬，增加兩次網格的數目，進行網格無關性的檢驗，得出相對誤差是0.3%，可以確保最終計算結果的精確性。湍流計算采用RNG k-ε模型，控制方程的離散選擇有限體積法，二階迎風格式。

RNG k-ε模型，最初是由Yakhot和Orzag提出來的，借助于大尺度的運動和修正后的粘度項，來表示出小尺度的影響，使相應小尺度運動有序地從控制方程中去除，得出的方程和方程，與標準模型十分相似：

（1）

（2）

Gk是由于層流速度梯度而產生的湍流動能，公式（1）介紹了其計算方法；Gb是由于浮力而產生的湍流動能，公式（2）介紹了其計算方法；YM是在可壓縮湍流中，由于過渡的擴散而產生的波動；參數C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數；Sk和Sε是用戶定義的。

與標準模型對比分析，可以看到，RNG模型的顯著變化是：

（1）修正湍流粘度后，考慮了平均流動中的旋轉和旋流流動狀況；

（2）在方程中增加了一項，這樣便反映了主流的時均應變率Eff，由此以來，RNG模型中產生項不但和流動狀況有關，而且在相同的問題中，也仍然是空間坐標的函數。從而，RNG模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[6]。

2.2.2 邊界條件

在gambit軟件中設置相應的邊界條件，給水泵內部的流動介質設為水，將給水泵葉輪的進口條件設置為速度入口，蝸殼的出口條件設置為自由出口，其他邊界條件均設置為固體壁面，葉輪的轉速設置為1280rpm。

3 結果與分析

3.1 壓力場的分析

圖2為給水泵內部壓力場的云圖與等值線圖。

給水泵的葉輪是高速旋轉的部件，在給水泵的隔舌區域的壓力較大，是因為該區域的葉片與蝸殼之間的距離較小，根據圖2的壓力場可以看出，在葉輪內，壓力的變化趨勢是先降低，最低負壓值后，又緩慢上升。由于葉片進口角帶來的影響，壓力的最小值，處于葉片進口區域，該區域正是容易出現汽蝕的區域。在壓力的作用下，液體的流動趨于劇烈，進而容易導致對葉片表面造成破壞。

3.2 速度場分析

速度場的模擬計算結果，其云圖與等值線圖，見圖3所示。

給水泵揚程是動壓頭與靜壓頭之和，既流體獲得的能量，用來增加其動能及壓力勢能。因此在給水泵的設計工作中，往往以獲得較高的靜壓頭為原則。從圖3的速度場分析結果中可以看到，葉輪直徑與流體的流速呈正比例關系，流體進入蝸殼后，動能逐步轉化為壓力勢能，速度隨之逐步減小，葉輪出口處產生渦流，這是因為在出口處流體的速度較大，而水泵出口的內側速度相對較低，由速度差引起的渦流現象[7，8]。

3.3 湍流強度分析

湍流強度的云圖與等值線圖，見圖4所示。

湍流強度，表示流體脈動的劇烈程度，其數值的大小與空間具體分布，表示脈動擴散的程度與相應的發生范圍。圖4為給水泵內部的湍流強度分布圖，可以看出，湍流強度比較小的區域主要集中在蝸殼附近和給水泵葉輪出口處，這證明蝸殼附近與葉輪出口處的湍流脈動不劇烈，流動相對較穩定，在靠近給水泵隔舌處的湍流強度比較大，流動比較劇烈，其水力損失十分嚴重。

4 結語

本文根據電站鍋爐給水泵的實際運行工況及相應的結構尺寸，建立了物理模型和數學模型，利用大型商用CFD仿真處理軟件FLUENT，對給水泵內部流場進行了數值仿真模擬，有效解決了試驗條件制約，試驗周期較長，無法及時深入分析的問題，并對給水泵的壓力場、速度場及湍流強度分布狀況進行了分析，得出下列結論：

（1）電站鍋爐給水泵的葉輪損害，主要是由湍流強度過大及汽蝕導致的，給水泵的內部流場性能數值模擬，為研究葉輪的汽蝕損害，給予了相對來說既快速又高效準確的計算方法。

（2）通過分析鍋爐給水泵葉輪內部的湍流強度分布情況，可以清晰地觀察到葉輪內部容易發生汽蝕的部位，以及隨著葉輪入口壓力減小，汽蝕帶來的破壞程度。因此，可以通過改變葉輪的外形尺寸以及葉片型線等方式，對鍋爐給水泵的汽蝕特征做出優化，并在日常維護工作中，給予足夠的重視。

參考文獻

[1]王玉召，寧憲龍，等.電站鍋爐給水泵節能改造[J]. 節能，2002（7）：24-26.

[2]朱容生，付強，等.低比轉數離心泵葉輪內汽蝕兩相流三維數值模擬[J].農業機械學報，2006（5）：75-79.

[3]李偉，施衛東，等.基于CFD的發動機冷卻水泵汽蝕性能預測[J].排灌機械工程學報，2012，30（2）：176-180.

[4]何增光，楊桂利.電站鍋爐給水泵提高效率的途徑[J].內蒙古科技與經濟，2010（1）：74-76.

[5]Yue G X，Yang H R，Lu J F，et al. Latest development of CFB boilers in China[C]//Proceedings of the 20th International Conference on Fluidized Bed Combustion， Springer， 2010.

[6]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與使用[M].清華大學出版社，2004.

[7]張兄文，李國君，等.離心泵蝸殼內部非定常流動的數值模擬[J].農業機械學報，2006，37（6）：63-68.

[8]Dular M， Bachert R， Bernd S ， et al. Experimental evaluation of numerical simulation of cavitating flow around hydrofoil[J]. European Journal of Mechanics B： Fluids， 2005， 24（12）： 522-538.