葉片包角對爐水循環泵水力特性的影響

丁觀琪，樂宇

（中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

我國是煤炭資源大國，也是能源消耗大國。根據我國電力發展規劃，在“十四五”期間，我國預計每年火力發電保持約3000萬千瓦。作為火電機組強制循環的核心動力元件，爐水循環泵的水力特性和可靠性對火電廠具有重大意義。由于爐水循環泵的重要性，國內外學者對其做過一系列研究。在電機方面，徐春通過在電機一側的冷卻管道加裝過濾器的方案，解決了爐水循環泵電機腔溫度異常的問題。李少波探討了電機絕緣降低的相關原因，并提出了電機絕緣降低等一系列工藝改進措施。在水力特性方面，段小輝通過正交試驗法對爐水循環泵導葉進行了優化設計,得出了進口安放角、喉部面積、擴散角對導葉性能影響程度的主次順序。趙飛通過數值模擬分析了出口管角度對爐水循環泵內部流動規律的影響，得出130°為最大出口管角。包角作為影響水力特性的重要參數，Tan通過數值模擬，得出了葉片包角對單葉片泵水力特性和軸向力的影響趨勢。Prabu通過數值模擬得出當包角在8°～15°時對混流泵有著最小的二次流損失。王燕燕通過計算流體力學方法，得出126°葉片包角與24°出口安放角為某款離心泵的葉輪參數最優組合。然而，少有文獻對爐水循環泵葉片包角進行研究，本文擬彌補此領域空白。

1 過流部件設計

本文選取的爐水循環泵設計參數為：額定流量Q：1000m3/h；額定揚程H：115m；轉速n：2980r/min；比轉速ns：166.5。葉輪和導葉作為核心過流部件，經過水力設計計算，其主要結構參數如表1和表2所示。

表1 葉輪主要結構參數

表2 導葉主要結構參數

2 數學模型

2.1 三維模型

根據爐水循環泵過流部件特征運用CREO軟件進行三維建模，其主要部分為進口段、葉輪、導葉以及蝸殼水體。在建模過程中，為了方便后續數值模擬計算的進行，將模型中尖角部分進行鈍化處理并忽略微小間隙。此外，為了保證進口流動的充分發展，對進口水體的三維模型進行了延長。三維模型如圖1所示。

圖1 水體域三維模型

2.2 網格劃分

在數值模擬計算過程中，網格生成方式及數量會對

圖2 水體域網格劃分

模擬結果產生影響。由于四面體非結構網格在流場數值模擬計算中有較強適應性，可以準確地捕捉流動特性，所以本文采用ANSYS ICEM對計算域進行四面體非結構網格劃分，如圖2所示。選取揚程及效率作為模擬精度指標，綜合考慮計算機運行時間，經過網格無關性驗證，整個計算域網格數為886萬，且y+值均小于100。

2.3 湍流模型

考慮在工程問題中的廣泛適用性以及對離心泵內部流場特性的良好捕捉，本文使用標準模型進行爐水循環泵的內部流場仿真計算。標準模型是兩方程模型，其中為湍動能，為耗散率，通過運輸方程和N-S方程聯合求解得到如下方程組：

其中，μt為湍流粘度；Cμ，C1ε，C2ε，σk，σε為經驗常數；Sk為黏性力；Sε為湍動應力；Gk為湍流動能。

2.4 邊界條件設置

數值模擬在ANSYS CFX中進行，其中流場進口設置為壓力進口，出口設置為質量流量出口，數值由具體工況下流量換算得到。全計算域仿真中，除葉輪域設置為旋轉域，其他域均為靜止域，動靜域交界處選取“凍結轉子法”。

3 仿真結果

3.1 穩態流場

經過數值模擬計算，爐水循環泵外特性如圖3所示。選取流量點分別為0.8Q，0.9Q，1Q（額定工況點），1.1Q，1.2Q，在額定工況（流量1000m3/h）下，揚程為115.6m，效率為84.17%，功率為373kW，能夠符合設計要求。

圖3 外特性曲線

綜合外特性曲線可知，隨著流量的增加，揚程成下降趨勢，越過額定流量點后，揚程下降趨勢變快。效率曲線在額定流量點之前上升，在額定流量點達到最大值，額定流量點后緩慢下降。功率曲線則始終保持上升。由外特性曲線趨勢可以推測出過流部件的設計與設計點匹配較好，揚程在大流量工況下下降趨勢變快，可能輸送介質在葉輪中運動發展不充分有關。

為了更好地對內部流場進行研究，分別選取0.8Q，1Q，1.2Q作為小流量、額定流量和大流量的代表流量。圖4為爐水循環泵在三種流量下葉輪和導葉中截面壓力分布云圖。由圖可知，最高壓力均分布在導葉出口，最低壓力均分布在葉輪進口，符合離心泵工作機理。三種流量下葉輪與導葉內壓力分布都比較均勻，隨著流量的升高，高壓分布區域由導葉內部流道外溢至導葉進口區，葉輪進口位置壓力略有升高，這也符合外特性曲線中揚程變化特性。此外，導葉進口附近出現了高壓點，說明此位置有速度畸變，這與葉輪導葉干涉有關，不影響過流部件的過流能力。

圖4 中截面壓力云圖

圖5為爐水循環泵在三種流量下葉輪和導葉中截面速度分布云圖。由圖可知，流動介質在葉輪和導葉流道內發展比較充分。在靠近葉輪和導葉工作面區域，有一個低速區。這可能與流動在此區域出現了二次流或流動分離有關。在0.8Q流量工況下，葉輪和導葉間隙區域中出現了一個高速區，速度值明顯大于平均速度場，此類現象與葉輪導葉的動靜干涉引起的壓力波動有關。總體來說，速度場分布均勻，無明顯旋渦區域出現，符合設計要求。

圖5 中截面速度云圖

3.2 葉片包角的影響

為了研究葉片包角對爐水循環泵外特性和內流分布規律的影響，文中基于葉片包角為120°的原模型分別進行了包角為115°和125°的模型運算。圖6為三種包角下的外特性曲線。由圖5可以看出，整個流量區間內，在小流量點（0.8Q），115°包角葉輪所產生的揚程最大，120°包角葉輪所產生的揚程最小；125°包角葉輪效率最高，120°包角葉輪效率最低。除去小流量點，外特性分布規律基本保持一致。以額定工況點為例，就揚程來看，120°與115°包角葉輪所產生的揚程接近，均大于125°包角葉輪。效率方面，115°與125°包角葉輪效率接近，均低于120°包角葉輪。功率方面，120°與125°包角葉輪接近，均低于115°包角葉輪。在揚程達到設計要求的前提下，一般都采用效率為參照指標，120°包角為該型號爐水循環泵葉輪葉片的最優包角。

圖6 外特性曲線

圖7為在額定工況點下三種包角下葉輪和導葉中截面壓力分布云圖。總體來看，三種包角下壓力分布都相對較為均勻。125°包角情況下，葉輪進口壓力相對較高，說明包角的增大能夠對葉輪進口處的流動狀態有一定影響。此外，從壓力分布區域來看，120°包角葉輪中的高壓區域分布范圍最小，說明導葉所受載荷分布相對均勻，可靠性更好。

圖7 不同包角下中截面壓力云圖（1Q下）

圖8為在額定工況點下三種包角下葉輪和導葉中截面速度分布云圖。總體來看，三種包角下速度發展均較為充分，沒有明顯的渦流區域出現。在葉輪流道內部，靠近葉片工作面位置，均出現了低速區。隨著包角增大，此低速區面積減小且最低速度有升高，說明包角越大，水體在葉輪流道內流動發展越充分，產生二次流或流動分離的概率更小，通流特性更好。

圖8 不同包角下中截面速度云圖（1Q下）

4 結語

（1）本文對某款爐水循環泵進行了水力設計和特性研究，在設計流量點，揚程為115.6m，效率為84.17%，滿足性能要求。

（2）葉片包角對水力性能有一定影響，在設計流量點，115°包角有最大揚程，120°包角有最大效率，125°包角葉輪流動發展更加充分。

（3）以效率為參照指標，120°為本款爐水循環泵葉輪的最佳葉片包角取值。其水力模型的成功開發，對今后爐水循環泵的設計開發具有極強的指導意義和參考價值。