多级给水泵导叶结构优化设计

2022-11-21成晓伟陈乃娟胡永海陆佳铭

新技术新工艺 2022年10期

成晓伟，陈乃娟，胡永海，陆佳铭

(中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201316)

锅炉给水泵是火电机组的关键辅机，其能耗指标直接影响着整个电厂运行的经济性。近年来，国内的环境问题日益突显，节能减排、可持续发展成为行业未来发展的方向。目前，国内较成熟的节能改造方法主要如下：采用更大容量、更高参数和效率的泵组；电泵组改汽泵组；电泵组变频改造等。这些方法虽然可以有效地降低电厂用电指标，但都需要对原有机组设备进行重大改动，投入成本较高，投资周期较长。

随着企业自主研发创新能力的增强，以及新型设计手段的进步，许多学者逐步采用改进优化水泵内部的核心水力部件(如叶轮、导叶、蜗壳等)的方法[1-9]，直接提升过流部件的水力效率，进而改善水泵性能，达到节能目的。该方法的主要优点是：无需改造原有机组的基础或者重要设备，只要更换水泵内部的核心水力部件即可，投入成本低，整改周期短。水力优化节能改造方案，不但可以更好地完善节能改造体系，提升企业核心技术及设计研发能力，还可以对已有产品进行升级换代。

本文针对一台双壳体式多级离心给水泵的导叶进行水力优化，通过对其细节水力结构的改进，提高水泵的扬程、效率等外特性指标，为丰富给水泵节能改造手段提供坚实的依据。

1 技术路线及主要技术参数

对导叶原型及优化模型分别进行三维建模，利用CFD技术进行流场仿真评估，提取给水泵的外特性曲线，并观察内部流场情况，通过数据对比得到较优方案进行投产试验，按照试验数据进行判定，选取最优模型作为定型产品。

该给水泵具体结构如图1所示，设计工况主要技术参数为：额定转速n=5 500 r/min，流量Q=540 m3/h，总扬程H=2 070 m，最高点效率η=79.5%。

图1 给水泵结构剖面图

由图1可知，对于给水泵来说，影响性能的水力部件主要有：叶轮、导叶、进水段、出水段、平衡鼓等。进、出水段和平衡鼓的结构型式对于水泵效率优化的作用相对较小，本文主要针对导叶的水力结构进行改进。

2 结构优化设计

2.1 原型导叶结构问题分析

多级离心泵的导叶一般为径向式，由正导叶、过渡区域(转弯部分)、反导叶组成。正导叶主要作用是在尽量降低损失的前提下收集叶轮出口的高速流体；过渡区作用是平缓地改变流体流动方向；反导叶作用是降低速度，消除流体旋转分量，并把流体引入下级叶轮。

导叶水力设计的关键影响参数包括[10]叶片数量、导叶基圆直径、正导叶入口宽度b3、入口角度β3、入口喉部面积A1、出口面积A2、正反导叶过渡区域的形状(很重要)、反导叶的入流角度β5和进出口面积等。

对于该给水泵来说，为成熟设计产品，工程应用及设计匹配度较好，几个关键参数，如：叶轮出口宽度、叶轮流道出口面积、叶片包角、导叶入口喉部面积和叶片数等不应过多调整，在此前提下，若要提高水力效率，应减少流体在导叶流道内的流动损失，改进流道结构中发生突变的区域(如直角过流位置、过流面积突变位置)，使之平滑过渡，同时合理控制间隙流动(如叶轮出口与导叶入口的流动区域)。

通过仔细研究该型给水泵原型导叶过流部分的结构，发现其结构较为简易，有很大优化空间。

原型导叶的型式为径向式，主要存在如下问题。

1)正、反导叶过渡区域流道多处出现直角形状，过渡不够平缓，介质在变向过程中几乎处于垂直流动状态，有优化空间(见图2和图3)。

图2 原型导叶流体流动示意图

图3 原型导叶部分直角过渡结构

2)反导叶入口处喉部面积出现突变结构，无法实现平缓分流，需要优化改进(见图4)。

图4 原型反导叶入口喉部

2.2 结构优化方案

原型导叶的结构必然影响给水泵的整体水力效率，需要集中对这几个不合理区域进行优化修改，本文主要形成了2种优化方案。

优化方案一：导叶型式保持不变，依然为径向式，将原型导叶的部分直角过渡结构进行修改，同时改进反导叶入口喉部面积变化不均的情况，通过三维建模，得到优化后结构(见图5和图6)。

图5 优化方案一光滑过渡结构

图6 优化方案一反导叶喉部改进

优化方案二：改变导叶型式，将径向式改为流道式，同时改善原型中的直角过渡结构和反导叶入口喉部面积变化不均的情况，优化后结构如图7和图8所示。

图7 优化方案二光滑过渡结构

图8 优化方案二流线式光滑过渡

2种方案的优化方向是一致的，都是为了达到导叶流道光顺连续、面积过渡均匀的目的，这样的优化方法使流体在运动发展时不易产生旋涡及碰撞，脱流与回流涡等现象均得到有效改善，必然可以改善流动状况，并提高零件水力效率。

2.3 流场计算对比

本文采用了CFD流场数值计算与真实试验相结合的方法，利用流场计算快速对比优化方案，定性分析每种方案的可行性，然后根据计算结果筛选出较优方案，进一步投产试验，这样可以大大减短研发周期，并提高产品设计的一次成功率。

数值计算基于有限体积法，采用贴体坐标系、隐式分离求解器和RNGκ-ε湍流模型。对基本控制方程的离散差分采用如下设置：压力项采用标准格式，动量项、紊动能项和紊黏系数项均采用二阶迎风差分格式，压力和速度之间的耦合算法选用SIMPLEC法[11]。分析计算中，抽取单级叶轮和单级导叶进行定性计算，流场三维模型如图9所示，网格离散化模型如图10所示。叶轮+导叶截面压力分布云图分别如图11和图12所示。从压力分布图可以看出，叶轮、导叶内压力分布较为均匀，且呈中心对称特征。叶片表面的压力分布从进口到出口沿半径方向逐渐增加。