3DG锅炉给水泵径向导叶的无驼峰设计与分析

陈 丽 ，尤保健 ，2，施 亮 ，芦洪钟 ，张 扬

（1.上海凯泉泵业（集团）有限公司，上海 201804；2.合肥凯泉电机电泵有限公司，合肥 230011；3.江苏大学 能源与动力工程学院，江苏镇江 212013）

0 引言

某电厂新建2×350 MW燃煤超临界间接空冷汽轮发电机组使用了3DG锅炉给水泵设备，用途为：在机组启动阶段，向锅炉连续供水并向锅炉过热器、再热器及汽轮机高压旁路供减温水。水泵性能参数为：设计流量Q=400 m3/h，设计总扬程1 366 m，单级扬程H按照152 m进行设计，共9级叶轮，采用径向导叶结构，转速n=2 990 r/min。项目要求给水泵组的流量与扬程的关系曲线应是无驼峰的运行稳定曲线，从额定流量到零流量的扬程应是稳定上升。锅炉给水泵之所以对流量-扬程曲线有无驼峰的要求，是因为有驼峰的扬程曲线是不稳定的，当锅炉有两台给水泵并联供水时，容易造成其中一台泵过载并产生管路振动，故消除驼峰是很有必要的［1-5］。

影响驼峰的因素很多，从叶轮水力设计的几何参数来说，叶片数、叶片包角、出口安放角、叶片形状等都会对扬程曲线是否出现驼峰产生一定的影响［6］。由于国家对节能减排越来越重视，而3DG锅炉给水泵的功率相当大，水泵效率每提高1%，一年即可节省相当可观的电费，所以效率指标也是需要保证的。叶轮的水力优化设计完成之后，其水力效率较高，若对其几何参数进行改动，会对效率有影响，所以可从径向导叶的设计上进行研究，找出消除驼峰的方法。

由于在叶轮与导叶的匹配关系中，导叶的进口安放角对性能起到重要作用，故可从导叶进口安放角的取值大小进行分析，找出可消除驼峰的最佳取值。

近年来，CFD技术已经日渐趋于成熟，在水泵行业的研究中得到了大量运用，而且解决了许多实际问题。赵兴艳［7］、韩娜［8］、傅飞［9］、郑玉彬等诸多学者和研究人员利用CFD技术对离心泵做了大量研究，为水泵的性能改进和优化设计提供许多可以参考的经验和数据［10-18］。故可借助CFD技术对水泵性能参数进行模拟计算，并绘制出不同方案下的性能曲线，从而判断该曲线是否有驼峰，最后通过试验验证，从而达到研究和解决问题的目的。

1 叶轮的轴面几何参数

叶轮的轴面投影如图1所示，其几何参数取值见表1。该叶轮的优化设计已完成，其性能参数、效率指标均达到设计要求。基于该叶轮方案设计径向导叶与之相配，以达到无驼峰的设计目的。

图1 叶轮轴面投影示意

表1 叶轮轴面投影图几何参数取值 mm

2 径向导叶的设计与分析

2.1 径向导叶的方案设计

锅炉给水泵使用的导叶为径向导叶或流道式导叶，考虑铸造和加工的方便性，本次设计使用径向导叶。径向导叶的作用主要是将一部分动能转化为压能，并使液体转变方向，流入下一级叶轮的进口。进口冲角是影响导叶形状和流动性一个重要参数，为改善导叶形状，进口冲角一般取正值，即导叶进口安放角大于液流角，冲角取值范围通常是 3°～8°［6］。由于大冲角会使径向导叶的外径加大，基于整泵结构考虑，故优先选取小冲角；同时，在取值范围的中间值附近以1°为间隔进行取值，在偏离常用取值范围的区域以2°为间隔进行取值。为研究进口冲角对水泵性能的影响，并分析使流动特性达到最佳的冲角取值，分别取进口冲角为 0°、2°、4°、5°、6°等 5 个数值进行径向导叶的设计，并进行流动特性的研究。

5个径向导叶方案的基圆直径、进口宽度、叶片的数量、导叶外径、反导叶的形状和尺寸等参数均相同，仅改变进口冲角及相应的螺旋线和扩散段。5个方案的径向导叶的代号为DY0、DY2、DY4、DY5、DY6，代号中的数字表示进口冲角的度数。径向导叶的主要几何参数见表2。

表2 径向导叶的主要几何参数

为了确保数值计算的准确性，现对进口冲角为0°的方案在设计流量下进行网格无关性验证，验证结果见表3。

表3 网格无关性验证

由表3可知：虽然5组网格单元总数相差较大（相邻两组相差约1.3倍），但计算扬程偏差较小，当网格总数达到5 568 699后，计算的扬程变化很小，偏差在0.5%以内。综合考虑计算资源与计算准确性，选取网格单元总数为5 568 699的网格精度进行所有方案的数值计算，5个方案的网格划分结果如图2所示。

图2 径向导叶的网格

2.2 基于CFD的径向导叶流动机理分析

将已经完成优化设计的次级叶轮分别与5个径向导叶组合并进行CFD模拟计算，对各方案设计流量点（400 m3/h）处的流态分布进行分析：图3示出了叶轮内压力分布，由图可知，改变冲角对叶轮流道内压力分布没有影响，但对叶轮出口处压力分布有显著影响，随着冲角增大，叶轮出口处出现局部高压区，分布不均匀；图4示出了反导叶内速度分布，由图可知，反导叶入口处均存在回流旋涡，但反导叶流道内流速分布均匀，流动结构较好。

图3 径向导叶内压力分布

图4 反导叶内速度分布

2.3 各方案的性能曲线分析

为了全面分析各方案下给水泵性能，对以上5 个方案分别进行流量为 100，250，363.5，400，500 m3/h的模拟计算，绘制出5个方案的性能曲线如图5所示。从图中可以看出，改变正导叶进口冲角对泵效率无显著影响；在冲角为0°、2°、4°和6°时，流量-扬程曲线均出现驼峰；冲角为5°时，高效点在设计流量处，且流量-扬程曲线无驼峰，故符合设计需求。

图5 各方案的性能曲线

3 试验结果及分析

3DG锅炉给水泵性能试验所使用的锅炉给水泵试验台精度达到《GB/T 3216-2016 回转动力泵 水力性能验收试验1级和2级》：1级。性能试验介质为常温清水，性能曲线如图6所示，由图可知，该泵流量-扬程曲线无明细驼峰，从额定流量到零流量的扬程稳定上升，满足设计要求。

图6 3DG锅炉给水泵性能曲线

4 结语

（1）以3DG锅炉给水泵的径向导叶为研究对象，对径向导叶取不同的进口冲角进行水力设计，并基于CFD模拟计算对各个方案进行了流动机理分析。

（2）改变进口冲角可以有效地消除或减小水泵流量-扬程曲线的驼峰，针对文中具体的参数进行研究，在冲角为5°时水泵的流态最好、流量-扬程曲线的驼峰得以消除。

（3）通过对水泵样机进行性能试验，发现试验得出的流量-扬程曲线没有明显驼峰，与CFD模拟计算结果吻合。