給水泵揚程曲線斜率的研究實踐

文/徐秀生 王玉霞

超（超）臨界鍋爐給水泵減小揚程曲線斜率系數K值的研究實踐——當前，火電、核電用泵和以綠色能源為動力的太陽能泵及風能泵等，為了保證能夠穩定運行，對于降低泵關閉點功率以及關閉點揚程對給水泵管路系統的影響等問題，用戶和設計院通常對給水泵性能曲線的形狀以及關閉點揚程至額定點揚程曲線斜線K值（K＜1.2）都提出規范及要求。

本文將6級雙殼體中開式芯包的高速給水泵作為原始模型，以次級葉輪和渦室為優化研究對象，對原始模型進行數值模擬。在原始模型基礎上，對二級葉輪、二級壓水室、三至四級過渡流道進行優化設計。無論是數值計算結果還是實測數據，關閉點揚程與設計點揚程的比值均降低，效率提高，實現比值K＜1.2的目標值。

在超臨界或超超臨界火力發電系統中，電動（或汽動）給水泵通常采用雙殼體、可抽出泵芯結構（見圖1、圖2）。由于給水泵是關鍵核心設備，且泵關閉點揚程對管路系統的選型影響很大，所以一般希望關閉點揚程盡可能低，且關閉點揚程HO與額定點揚程H的比值K應＜1.2，此外泵的關閉點功率盡可能小。

在火力發電中常用德國KSB、美國FLOWSERVE、瑞士SULZER、日本荏原EBARA及以日本三菱重工MHI等公司生產的給水泵，其設計的K值基本都＜1.2。

德國KSB公司、英國WEIR和瑞士SULZER等公司的給水泵芯包為徑向節段式結構，如圖1所示。以美國原B.J公司為代表的泵芯包為水平中開式結構，上下兩個對稱內殼式結構，如圖2所示，日本荏原EBARA和日本三菱重工MHI等公司的給水泵均采用美國原B.J公司技術制造。

圖1 徑向節段式雙殼體結構

圖2 水平中開式雙殼體結構

圖3所示是國內泵廠生產的某高壓鍋爐給水泵，內裝泵芯是水平中開式結構，上下內殼體為空間流道結構，是一個雙殼體6級泵。流量Q=603 m3/h，揚程H=3 007 m（單級揚程527.5 m），轉速n=5 575 r/min。與國外品牌如美國FLOWSERVE公司同性能參數的給水泵相比，效率低2.6%，關閉揚程HO約為額定揚程H的1.25倍（即K=1.25），而美國FLOWSERVE公司產品的K值＜1.2。本文以國產給水泵次級葉輪和渦室為優化研究對象，擬定如下目標值進行分析與研究：提升效率2個百分點，且降低關閉點揚程HO與額定點揚程H的比值系數K，使K＜1.2以下。

圖3 內裝水平中開式泵芯的國產給水泵

圖4 關閉點揚程與設計點揚程之間連線的斜率K

揚程曲線斜率

理論分析

根據葉片泵理論與設計經驗，影響關閉點揚程的因素有出口寬度b2、出口角β2和喉部面積等。推導出計算離心泵揚程曲線斜率K的理論計算公式

式中，K為陡降度；n為轉速；Q為體積流量；g為重力加速度；b2為出口寬度；ψ2為排擠系數；β2為出口角；ηv、ηh分別為容積效率和水力效率；H為揚程。

斜率K用關閉點揚程與設計點揚程之間連線的斜率的絕對值來表示。由式（1）可知，陡降度的大小與n成正比，與b2、β2及Ψ2成反比，即b2、β2越大，K越小，曲線越平坦，K的大小與葉輪外徑D2沒有直接關系。這樣，揚程表達式可寫成。

式中，Ht為理論揚程；u2為葉輪外圓的圓周速度；Qd為設計點流量；σ為絕對速度圓周分量與圓周速度的比值。

由式（2）可知，關閉點揚程HO的值主要由圓周速度u2決定，而u2與D2和n有關 ；設計點揚程Hd的值還取決于K值。經分析可知，可以通過調整b2和β2改變K，即揚程曲線的斜率。另外，通過調整D2可改變揚程大小，使之與原設計揚程相同。

降低關閉點揚程的方法

1.葉片數Z

根據泵的有限葉片數理論，當葉片數減少后，葉片間流道增大，由于葉輪內軸向漩渦的影響，葉輪出口處滑移增加，隨流量增加揚程急劇下降。通常葉片數Z＜5時，揚程曲線呈單調下降，葉片數增加時揚程曲線平坦，但是葉片數增加會加大揚程曲線駝峰的可能性。

2.葉片出口角β2

在β2＜90°時，根據歐拉理論，隨流量Q的增加揚程呈直線減小趨勢，并且β2越小理論揚程曲線下降得越快。經驗表明，在其余參數恰當且出口角小于30°時，揚程曲線單調下降，增加出口角有助于得到平坦的揚程曲線。

3.葉輪出口寬度b2

葉輪出口越小，在某流量點的絕對速度的圓周分量也越小，該點的揚程便越低，使揚程曲線更陡。增加b2有助于獲得平坦的揚程曲線，對性能也有好處，但是b2增大可能造成揚程曲線生成駝峰。

4.葉片出口排擠

葉片厚，葉片排擠大，揚程曲線越陡。為了獲得無駝峰曲線，增加出口排擠的方法是在葉片背面從進口到出口均勻加厚，以阻塞部分流道。

5.斜切葉輪出口

一般離心泵葉片出口邊與軸線平行，由于前后蓋板流線長度不同，所以流體流經前后蓋板后在出口處所獲得的能量也不同，產生了由后蓋板到前蓋板的二次流，這不但增加水力損失，而且還使揚程曲線容易產生駝峰。因此斜切葉輪出口后蓋板，使流經前后蓋板的液體所獲得的能量基本相同，是減小或消除駝峰的有力措施。

6.葉片形狀

葉片的形狀顯然對揚程曲線的形狀有影響。研究表明直葉片可獲得揚程陡降曲線，此種葉片形式有助于消除曲線駝峰。三元扭曲葉片可以獲得較為平坦的揚程曲線。

7.葉輪進口形狀

葉輪進口形狀對關閉點揚程和駝峰也有重要的影響。減小葉輪進口直徑可減小葉輪小流量時進口的回流損失，同時葉片前伸并減薄可減小葉輪進口的沖擊損失，從而提高了小流量時和關閉點的揚程，增加了揚程曲線的穩定性。

8.泵體喉部面積

眾所周知，喉部面積越大，關閉點揚程越低，而額定點揚程越高。增大泵體的喉部面積可以得到斜率較小的揚程曲線，但是增大喉部面積也增加了揚程曲線的不穩定性，容易形成駝峰曲線。減小喉部面積對沒有駝峰的揚程曲線確實能使其變得更加陡降，但是有駝峰的曲線，減小喉部面積對消除駝峰的效果并不明顯。

9.隔舌間隙

減小隔舌與葉輪之間的間隙，可以減小（小流量時）間隙內的環流損失，以及液流從葉輪出口到泵體進口之間的混合損失，有利于提高小流量區的揚程。減小隔舌間隙對提高效率也有好處。

影響揚程曲線形狀的因素是多樣的，需從葉片出口角、葉輪出口寬度、葉片形狀及面積比等幾個方面進行研究。

給水泵內流場數值模擬

幾何模型

泵芯是水平中開、上下內殼體為空間流道結構的雙殼體6級給水泵（見圖5），主要由泵筒體、芯包（上下內殼體、首級葉輪、2~5級葉輪及末級葉輪等）和進出口接管等組成。用于數值計算的幾何模型（只包括與水接觸的過流部件）如圖6、圖7所示。

圖5 6級給水泵結構

圖6 泵全流道實體模型

圖7 泵部分流道三維實體模型

網格劃分

圖5所示的給水泵，6級葉輪均為旋轉區域，其余部件為靜止區域。將6級泵的研究轉化為對單級進行研究，將整機分成4個計算域進行分析。對次級葉輪、次級壓出室、中間過渡流道及末級壓出室進行網格劃分。

4個計算域分別為：計算域一為首級計算域（見圖8），包括首級葉輪和首級至二級壓水室；計算域二為次級計算域（見圖9），包括二級葉輪和二級至三級壓水室；計算域三為中間過渡流道計算域（見圖10），包括三級葉輪和三級至四級壓水室及過渡流道；計算域四為末級計算域（見圖11），包括末級葉輪和末級壓水室。整機性能將通過4個計算域的數值模擬結果進行推斷。

圖8 首級計算域網格

圖9 次級計算域網格

圖10 中間過渡流道計算域網格

圖11 末級計算域網格

原模型數值計算結果校驗與分析

次級葉輪分析與優化

由于次級葉輪和次級壓水室對降低關閉點揚程和提高效率的貢獻比例最大，因此以次級葉輪和次級壓水室為主研究。

以原始次級葉輪模型為基礎，調整葉輪葉片型線，主要調節葉片傾角、過流面積分布和葉片包角。為減少模型性能曲線出現駝峰現象，盡量保持前后蓋板流線長度一致。優化的葉輪如圖12所示。優化的次級葉輪子午線、網格及實體模型如圖13~15所示。葉輪內部和壓水室的流線分布如圖16、圖17所示。壓水室中間截面的速度分布和流線分布如圖18、圖19所示。

圖12 優化葉輪示意圖

圖13 優化次級葉輪子午線

圖14 次級葉輪網格

圖15 次級葉輪實體模型

圖16 葉輪內部流線分布

圖17 壓水室流線分布

圖18 壓出室中間截面速度分布

圖19 壓出室中間截面流線

三級至四級流道及末級流道優化

三級葉輪與次級葉輪水力模型相同，三級壓水室的半螺旋結構也與次級壓水室的半螺旋結構相同。次級模型的優化點在過渡流道的兩個轉彎半徑R1、R2及分流筋板的長度L。三級至四級過渡流道如圖20、圖21所示。

圖20 三級至四級過渡流道示意圖

圖21 三級至四級半流道模型

采用原始葉輪對三級至四級流道進行研究。將此過渡流道優化后的次級壓水室模型和優化后的次級葉輪配合進行數值模擬。優化前后數值模擬結果見表1~3。

表1 三級至四流道優化前后數值結果對比

對比

泵優化目標參數：流量Q=603 m3/h；揚程H=3 007 m（單級揚程527.5 m）；轉速n=5 575 r/min；效率η=83%（熱態）；關閉點揚程HO與額定點揚程H的比值K＜1.2。優化后，關閉點揚程與額定點揚程比值對比如圖22所示，K值降低0.08；效率對比如圖23所示，提升2.9%，超過現有產品。

圖22 5 575 r/min時揚程曲線對比

圖23 5 575 r/min時效率曲線對比

表2 末級優化前后數值結果對比

表3 整機優化前后數值模擬結果對比

結束語

總結了降低關閉點的方法，并通過數值模擬進行進一步研究，在得到揚程曲線斜率系數減小的滿意結果后，對提升泵效率進行優化研究，最終達到關閉點揚程與額定點揚程比值K減小0.08和效率提升2.9%的目標。

總之，通過對6級給水泵原始二級葉輪、二級壓水室、三至四級過渡流道模型優化，對減小關閉點揚程曲線系數K是行之有效的方法之一。優化產品案例及用戶現場應用證明，減小比值K值對電廠系統運行平穩、降低泵關閉點功率及全生命周期LCC管理等效果顯著。