多級給水泵導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

成曉偉，陳乃娟，胡永海，陸佳銘

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

鍋爐給水泵是火電機組的關(guān)鍵輔機，其能耗指標直接影響著整個電廠運行的經(jīng)濟性。近年來，國內(nèi)的環(huán)境問題日益突顯，節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展成為行業(yè)未來發(fā)展的方向。目前，國內(nèi)較成熟的節(jié)能改造方法主要如下：采用更大容量、更高參數(shù)和效率的泵組；電泵組改汽泵組；電泵組變頻改造等。這些方法雖然可以有效地降低電廠用電指標，但都需要對原有機組設(shè)備進行重大改動，投入成本較高，投資周期較長。

隨著企業(yè)自主研發(fā)創(chuàng)新能力的增強，以及新型設(shè)計手段的進步，許多學(xué)者逐步采用改進優(yōu)化水泵內(nèi)部的核心水力部件(如葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼等)的方法[1-9]，直接提升過流部件的水力效率，進而改善水泵性能，達到節(jié)能目的。該方法的主要優(yōu)點是：無需改造原有機組的基礎(chǔ)或者重要設(shè)備，只要更換水泵內(nèi)部的核心水力部件即可，投入成本低，整改周期短。水力優(yōu)化節(jié)能改造方案，不但可以更好地完善節(jié)能改造體系，提升企業(yè)核心技術(shù)及設(shè)計研發(fā)能力，還可以對已有產(chǎn)品進行升級換代。

本文針對一臺雙殼體式多級離心給水泵的導(dǎo)葉進行水力優(yōu)化，通過對其細節(jié)水力結(jié)構(gòu)的改進，提高水泵的揚程、效率等外特性指標，為豐富給水泵節(jié)能改造手段提供堅實的依據(jù)。

1 技術(shù)路線及主要技術(shù)參數(shù)

對導(dǎo)葉原型及優(yōu)化模型分別進行三維建模，利用CFD技術(shù)進行流場仿真評估，提取給水泵的外特性曲線，并觀察內(nèi)部流場情況，通過數(shù)據(jù)對比得到較優(yōu)方案進行投產(chǎn)試驗，按照試驗數(shù)據(jù)進行判定，選取最優(yōu)模型作為定型產(chǎn)品。

該給水泵具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計工況主要技術(shù)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速n=5 500 r/min，流量Q=540 m3/h，總揚程H=2 070 m，最高點效率η=79.5%。

圖1 給水泵結(jié)構(gòu)剖面圖

由圖1可知，對于給水泵來說，影響性能的水力部件主要有：葉輪、導(dǎo)葉、進水段、出水段、平衡鼓等。進、出水段和平衡鼓的結(jié)構(gòu)型式對于水泵效率優(yōu)化的作用相對較小，本文主要針對導(dǎo)葉的水力結(jié)構(gòu)進行改進。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 原型導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)問題分析

多級離心泵的導(dǎo)葉一般為徑向式，由正導(dǎo)葉、過渡區(qū)域(轉(zhuǎn)彎部分)、反導(dǎo)葉組成。正導(dǎo)葉主要作用是在盡量降低損失的前提下收集葉輪出口的高速流體；過渡區(qū)作用是平緩地改變流體流動方向；反導(dǎo)葉作用是降低速度，消除流體旋轉(zhuǎn)分量，并把流體引入下級葉輪。

導(dǎo)葉水力設(shè)計的關(guān)鍵影響參數(shù)包括[10]葉片數(shù)量、導(dǎo)葉基圓直徑、正導(dǎo)葉入口寬度b3、入口角度β3、入口喉部面積A1、出口面積A2、正反導(dǎo)葉過渡區(qū)域的形狀(很重要)、反導(dǎo)葉的入流角度β5和進出口面積等。

對于該給水泵來說，為成熟設(shè)計產(chǎn)品，工程應(yīng)用及設(shè)計匹配度較好，幾個關(guān)鍵參數(shù)，如：葉輪出口寬度、葉輪流道出口面積、葉片包角、導(dǎo)葉入口喉部面積和葉片數(shù)等不應(yīng)過多調(diào)整，在此前提下，若要提高水力效率，應(yīng)減少流體在導(dǎo)葉流道內(nèi)的流動損失，改進流道結(jié)構(gòu)中發(fā)生突變的區(qū)域(如直角過流位置、過流面積突變位置)，使之平滑過渡，同時合理控制間隙流動(如葉輪出口與導(dǎo)葉入口的流動區(qū)域)。

通過仔細研究該型給水泵原型導(dǎo)葉過流部分的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)較為簡易，有很大優(yōu)化空間。

原型導(dǎo)葉的型式為徑向式，主要存在如下問題。

1)正、反導(dǎo)葉過渡區(qū)域流道多處出現(xiàn)直角形狀，過渡不夠平緩，介質(zhì)在變向過程中幾乎處于垂直流動狀態(tài)，有優(yōu)化空間(見圖2和圖3)。

圖2 原型導(dǎo)葉流體流動示意圖

圖3 原型導(dǎo)葉部分直角過渡結(jié)構(gòu)

2)反導(dǎo)葉入口處喉部面積出現(xiàn)突變結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)平緩分流，需要優(yōu)化改進(見圖4)。

圖4 原型反導(dǎo)葉入口喉部

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

原型導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)必然影響給水泵的整體水力效率，需要集中對這幾個不合理區(qū)域進行優(yōu)化修改，本文主要形成了2種優(yōu)化方案。

優(yōu)化方案一：導(dǎo)葉型式保持不變，依然為徑向式，將原型導(dǎo)葉的部分直角過渡結(jié)構(gòu)進行修改，同時改進反導(dǎo)葉入口喉部面積變化不均的情況，通過三維建模，得到優(yōu)化后結(jié)構(gòu)(見圖5和圖6)。

圖5 優(yōu)化方案一光滑過渡結(jié)構(gòu)

圖6 優(yōu)化方案一反導(dǎo)葉喉部改進

優(yōu)化方案二：改變導(dǎo)葉型式，將徑向式改為流道式，同時改善原型中的直角過渡結(jié)構(gòu)和反導(dǎo)葉入口喉部面積變化不均的情況，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。

圖7 優(yōu)化方案二光滑過渡結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化方案二流線式光滑過渡

2種方案的優(yōu)化方向是一致的，都是為了達到導(dǎo)葉流道光順連續(xù)、面積過渡均勻的目的，這樣的優(yōu)化方法使流體在運動發(fā)展時不易產(chǎn)生旋渦及碰撞，脫流與回流渦等現(xiàn)象均得到有效改善，必然可以改善流動狀況，并提高零件水力效率。

2.3 流場計算對比

本文采用了CFD流場數(shù)值計算與真實試驗相結(jié)合的方法，利用流場計算快速對比優(yōu)化方案，定性分析每種方案的可行性，然后根據(jù)計算結(jié)果篩選出較優(yōu)方案，進一步投產(chǎn)試驗，這樣可以大大減短研發(fā)周期，并提高產(chǎn)品設(shè)計的一次成功率。

數(shù)值計算基于有限體積法，采用貼體坐標系、隱式分離求解器和RNGκ-ε湍流模型。對基本控制方程的離散差分采用如下設(shè)置：壓力項采用標準格式，動量項、紊動能項和紊黏系數(shù)項均采用二階迎風(fēng)差分格式，壓力和速度之間的耦合算法選用SIMPLEC法[11]。分析計算中，抽取單級葉輪和單級導(dǎo)葉進行定性計算，流場三維模型如圖9所示，網(wǎng)格離散化模型如圖10所示。葉輪+導(dǎo)葉截面壓力分布云圖分別如圖11和圖12所示。從壓力分布圖可以看出，葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)壓力分布較為均勻，且呈中心對稱特征。葉片表面的壓力分布從進口到出口沿半徑方向逐漸增加。

圖9 葉輪+導(dǎo)葉流線流道

圖10 網(wǎng)格模型

圖11 葉輪+導(dǎo)葉軸面壓力云圖

圖12 葉輪+導(dǎo)葉斷面壓力云圖

根據(jù)CFD流場計算結(jié)果，與原型相比，若采用優(yōu)化方案一，給水泵在設(shè)計流量點效率提升0.8%，揚程提升1%，軸功率數(shù)值變化不大。若采用優(yōu)化方案二，給水泵在設(shè)計流量點效率提升2%，揚程提升5%，軸功率數(shù)值下降。綜上所述，決定采用優(yōu)化方案二進行投產(chǎn)試驗。

3 產(chǎn)品試制與對比試驗

產(chǎn)品試制采用3D打印模具+精密澆鑄獲得鑄件的快速成型方法，大大縮短了研發(fā)周期。優(yōu)化導(dǎo)葉最終試驗用實體零件分別如圖13和圖14所示。

圖13 3D打印模具

圖14 優(yōu)化導(dǎo)葉鑄件圖

試驗首先對原型給水泵實施，通過采集得到其流量-揚程、流量-效率、流量-軸功率數(shù)據(jù)，接著，在其他零部件保持一致的前提下，將泵內(nèi)導(dǎo)葉全部更換為優(yōu)化后的新型導(dǎo)葉，在相同試驗場地再次進行性能試驗，同時將流場仿真計算結(jié)果列出，得到圖15所示的相關(guān)對比數(shù)據(jù)曲線。

圖15 性能曲線數(shù)據(jù)對比圖

從圖15中可以看出，導(dǎo)葉(優(yōu)化方案二)優(yōu)化后的給水泵在設(shè)計流量點處效率提升1.6%，揚程提升約6%，軸功率數(shù)值少量下降。

4 結(jié)語

本文針對給水泵原型導(dǎo)葉存在的關(guān)鍵問題，制定2種優(yōu)化方案分別進行有針對性的改進，得到如下結(jié)論。

1)將傳統(tǒng)徑向型導(dǎo)葉優(yōu)化為空間流道式導(dǎo)葉可以有效改善流體的脫流與回流渦現(xiàn)象，提高設(shè)備的揚程及效率，并在一定程度上降低軸功率。

2)聯(lián)合采用CFD流場仿真評估結(jié)合3D打印快速成型方法，能夠有效縮短研發(fā)制造周期。

3)對給水泵核心水力部件導(dǎo)葉進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)水泵外特性曲線的調(diào)整，從而改變水泵運行工況來滿足實際工程要求。此方法可以從根源上提高設(shè)備效率，降低能耗，節(jié)省電廠用電，是節(jié)能改造工程的可行手段之一。