循環水泵高效節能葉輪三維扭曲葉片優化設計

馬喜強， 張美鳳, 洪雨佳

(1. 華能山東石島灣核電有限公司， 山東威海 264200;2.煙臺龍源電力技術股份有限公司， 山東煙臺 264000)

流體機械是一類通過旋轉葉輪和流過旋轉葉輪的流體介質實現能量轉換的動力設備，在所有工業設備的能耗中，泵類和風機類流體機械設備所產生的能耗占了總能耗的25%以上，而由泵類流體機械單獨產生的能耗更是占到了總能耗的21%以上，葉輪的水力性能對泵的性能起決定性作用。國產泵類流體機械設備的性能與國際先進水平相比總體上仍有較大差距，設計效率低5%～10%，實際效率低10%～30%，具體表現在：效率低、汽蝕嚴重、噪聲大、可靠性差、使用壽命短等[1-2]。

近年來，我國泵類流體機械設備的節能增效改造服務快速發展，目前采用較多的是與運行有關的變頻法，雖然一定程度上可以改善能源浪費的情形，但是改造成本較高，不利于技術推廣。

筆者基于葉輪的三元流理論，對某電廠循環水泵的葉輪流場進行數值分析，并對葉輪進行優化設計，提高離心泵的工況適應性，降低能耗。

1 理論計算模型

離心泵穩定運行中葉輪內部近似為三維定常不可壓縮湍流流動，在三維圓柱坐標下，建立控制方程[2-5]。

三維、穩態、常物性對流換熱控制方程可以表示為連續性方程和動量方程。

連續性方程為：

(1)

式中：r為徑向距離；θ為方位角度；x為高度；ρ為流體的密度；u、v、w為流體在r、θ、x三個方向的速度分量。

動量方程為：

(2)

式中：φ為動量；Γ為擴散系數；s為源項。

2 葉片設計

該電廠原有4臺雙吸離心循環水泵(簡稱雙吸泵)，型號是NCS700-600-680，設計體積流量為5 300 m3/h,揚程為27.6 m，銘牌效率為80%，滿足現場實際尖峰冷卻的需要。現因工程需要，要求該雙吸泵在5 300 m3/h、27.6 m工況點(工況1)運行時，效率不低于85%；在3 300 m3/h、35 m運行工況點(工況2)時，效率不低于75%。

基于三元流理論設計的三維扭曲葉片具有高水力效率、成本低(可鑄造性)及超低汽蝕余量(可靠與耐久)等優良特性，能有效提高雙吸泵的工況適應性。

2.1 設計方法

依據葉輪的三元流理論，對葉片進行三維扭曲設計，具體方法如下：

(1) 根據需求，確定葉輪的輪盤的子午面型線和輪蓋的子午面型線，輪盤的子午面型線和輪蓋的子午面型線構成了葉輪的子午面。

(2) 在得到的子午面上構造第一子午流線、第二子午流線和第三子午流線，用來控制葉輪的葉片的空間扭曲形狀。第一子午流線為輪蓋流線，與輪蓋的子午面型線重合；第二子午流線為中間流線，設置在第一子午流線和第三子午流線之間；第三子午流線為輪盤流線，與輪盤的子午面型線重合。

(3) 設計葉輪的葉片型線，確定第一子午流線和第二子午流線上的葉片安裝角及葉片厚度的分布，通過修改輪盤上的葉片安裝角及厚度分布，最終形成三維扭曲葉片。

(4) 形成具有可鑄造性的泵類三維葉輪。

通過該方法最終確定的葉輪和葉片形狀見圖1。

圖1 三維扭曲葉輪和葉片模型

2.2 網格離散化方法

對該葉輪進行網格劃分，由于三維扭曲葉片的結構及計算區域復雜，建模時采用了分塊建模再合并的方式，劃分網格時采用適應范圍更廣的非結構化四面體網格，經檢查，網格的等角斜率和尺寸斜率均不超過0.8，網格質量較好。

2.3 邊界條件

(1) 進口邊界條件。進口采用速度進口邊界條件，在計算區域的進口邊界上，給定初始速度，并設定速度方向垂直于進口平面。

(2) 出口邊界條件。對于計算區域充分大的位置，選擇充分發展條件，即假設所有變量的擴算通量為0。

(3) 壁面條件。在葉片表面上，速度滿足無滑移邊界條件，對于近壁面流動采用標準壁面方程進行計算。

(4) 壓力邊界。為保證計算的穩定性，設置參考壓力，邊界上壓力法向導數為0。

3 流場計算結果分析

扭曲葉片流場存在尾渦和二次流等問題，基于Boussinesq渦黏性假設，選用適應性較強的k-ε湍流模型，方程組的離散采用了二階迎風格式，采用壓力-速度耦合隱式修正SIMPLE算法，應用二階迎風格式分離對流項，求解器選用隱式分離式求解器[6]。

3.1 壓力分布

不同工況下，雙吸泵葉輪內部壓力分布見圖2。

圖2 雙吸泵葉輪內部壓力分布

由圖2可知：雙吸泵葉輪進口處壓力較低，這是由于水流繞葉片頭部時流體加速轉彎導致流速加快，葉片背面出口處壓力分布均勻，未出現分離，不容易產生汽蝕；葉輪內各流道內壓力分布均勻，沿流體流向，隨著葉輪流道半徑的增加，壓力升高，在葉片的出口邊緣，壓力達到最高。

3.2 速度分布

不同工況下，雙吸泵葉輪內部速度分布見圖3。

圖3 雙吸泵葉輪內部中間流面上的速度矢量圖

由圖3可知：流體在進口處流動均勻，進口流速較低，沿流道進口到出口，速度逐漸升高，葉輪內各流道內流速不均，靠近出口處，流速較高。在工況2下，流體仍然沿著葉片方向流動，沒有分離區，這樣的葉輪設計使得在小流量工況下，葉輪效率高。

3.3 雙吸泵的性能曲線

改造后單級雙吸泵的性能曲線見圖4。

根據模擬計算結果分析，改造后的雙吸泵系統性能為：體積流量為5 300 m3/h時, 揚程為28～30 m，效率為86%～89%;體積流量為3 300 m3/h時,揚程為35～38 m, 效率為75%～78%。改造后的雙吸泵體積流量、揚程及效率完全滿足設定的需求，可完全滿足改型設計要求。

圖4 改造后的單級雙吸泵的性能曲線圖

4 結語

(1) 基于葉輪的三元流理論進行葉輪的三維扭曲葉片設計，葉輪效率高，必需汽蝕余量小，同時可以兼顧多個工況點，雙吸泵的綜合效率較高。

(2) 基于CFD技術對三維扭曲葉片進行三維湍流數值模擬計算的結果與實際葉輪流場的特性相符，計算結果準確，為雙吸泵的水力設計和優化設計提供了參考。

(3) 對雙吸泵的葉輪進行流場數值分析，并對葉輪進行優化設計，實現雙吸泵的節能增效，且工程實施簡單，改造量小，工期短，值得推廣。