1000MW級超超臨界給水泵流態分析及性能預測

成曉偉

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316）

0 引言

給水泵是1000 MW級火電超超臨界機組的關鍵輔機，結構形式為BB5型多級離心式，常采用雙殼體+整體芯包結構。給水泵的水力特性是其最關鍵的性能指標，必須在前期設計中重點把控。利用CFD技術對水泵進行三維流場數值計算，進而進行性能預測是目前最常用的水力設計手段，研究人員已進行了卓有成效的研究。江偉、成科、高振軍、韓娜、王秀勇等基于CFD技術對離心泵、混流泵進行了流場三維湍流數值模擬和外特性研究[1-5]，通過壓力及速度分布解析泵的內部流動機理和現象；研究表明數值模擬對泵水力性能研究具有重要指導意義。

火電給水泵流場結構復雜，建模計算難度大，相關研究較少。本研究對一臺1000 MW級超超臨界給水泵進行內部流態分析，得到其核心零件的壓力、速度云圖及湍流渦結構情況，同時將預測性能數值與工廠試驗值進行對比分析，為數值模擬與工程設計建立可靠聯系。

1 模型建立

1000 MW級給水泵具體結構如圖1。設計工況點參數如下：額定轉速5050 r/min，流量3433 m3/h，總揚程3830 m。具體的流程：先建立給水泵全流場實體模型。然后在專用軟件中做網格劃分，采用適應性較強的四面體網格模型。泵三維流場實體模型如圖2，網格模型如圖3所示。

圖1 給水泵剖視圖

圖2 三維流場模型

圖3 流場網格模型

該模型網格數約為1900萬個，計算基于有限體積法，使用貼體坐標系和Standardκ-ε湍流模型，壓力和速度間的耦合算法選用SIMPLE法。泵進水體的進口斷面為圓形，設置為速度入口邊界；葉輪葉片表面設置為旋轉的絕熱固壁邊界；穩態計算設置為凍結轉子法；各個計算區域交界面設置為GGI方式；出水體出口斷面設置為自由出流邊界，因為該位置處的流體介質已經近似處于充分發展狀態。

2 計算結果分析

2.1 壓力分布

進水體的主要功能是均勻引入低壓流體，其內部設計的隔舌結構能夠充分起到分流消渦作用；出水體的功能是均勻導出高壓流體。二者結構需要最大限度減少漩渦或紊流的產生。從圖4看出，截面壓力基本處于對稱性逐層分布狀態，無明顯的壓力突變區。

圖4 進水體、出水體中間截面壓力分布圖

給水泵性能與葉輪和導葉內流場分布特性密切相關，良好的流動狀態是獲得優良的水力性能的前提。從圖5可以看出葉輪、導葉內壓力分布較為均勻，且呈中心對稱特征，這樣可以大大改善葉輪在運行中可能產生的徑向力。首級葉輪吸水口位置存在小范圍低壓區，在該部位葉片表面最可能產生汽蝕，后面四級葉輪內存在少量壓力梯度和中心不對稱性，可能引起一定的流體激勵。此外，葉片表面處壓力隨著半徑的逐漸增大而增加，在同一半徑位置，葉片壓力面側的值均高于吸力面側。從圖6可以觀察到，葉輪葉片上的壓力從第一級到第五級，隨著級數增加不斷增大，直到設計值。

圖5 葉輪+導葉中間截面壓力分布圖

圖6 五級葉輪流道表面壓力分布圖

2.2 速度分布

由圖7、圖8可知，給水泵葉輪、導葉內部整體流動狀態良好，流體能夠較好地貼合葉片流向下級導葉，未出現明顯的流動分離，且偏向于從非工作面側流經葉輪，有利于流動穩定；當流體離開葉輪進入導葉時，在導葉葉片進口及少數曲率較大的位置處發生少量流動分離，說明導葉內存在一定的能量損失。

圖7 葉輪+導葉流線軌跡圖

圖8中，流體在葉輪進口區域存在一些流動分離，這是由于葉輪葉片的入流角與安放角不完全相等，同時存在旋轉和葉片彎曲，形成分離渦。

圖8 葉輪流場速度矢量圖

2.3 湍流渦結構分析

多級給水泵水力性能，尤其是效率的優良與否，是判別其能量轉化能力。圖9是泵核心水力部件——各級葉輪和導葉內湍流渦結構的分布情況（用渦黏性進行著色）。由圖可知，葉輪和導葉內均存在一些不穩定渦結構，說明了高速高壓多級給水泵內部流動的復雜性。

圖9 各級葉輪和導葉內湍流渦結構（Qinvariant=0.025）

由表1可知，首葉輪揚程最低，這是由于對其進行水力設計時，考慮了抗汽蝕能力。相對其他各級葉輪，首級葉輪內不穩定渦結構較少，渦黏性強度較低。相比于葉輪而言，導葉內渦黏性較低，但湍流渦結構逐級增強，其內部能量損失也逐漸增大。

表1 各級葉輪和導葉的揚程及損失

2.4 水力性能預測及真機試驗對比

數值分析完成后，泵進、出口的總能量能夠提取獲得，通過能量差值和相關數據可以計算得到給水泵的揚程H及效率η。同時，該型給水泵借助工廠試驗獲取了相關性能數據。具體數值預測值與真實試驗值對比如圖10所示。

圖10 性能曲線數據對比圖

對比二者數據可知，數值計算與試驗性能曲線存在交叉，即小流量或大流量工況數值預測結果偏高或偏低。這是因為，小流量工況與大流量工況流動分離的程度和逆壓梯度均存在明顯差異，而Standardκ-ε模型對強剪切大分離逆壓梯度流動的預測不敏感，導致了非設計工況下的性能預測存在一定誤差。雖然如此，整體預測性能曲線發展趨勢正確，揚程相對誤差值小于3%，效率相對誤差小于4.5%。

3 結論

對1000 MW級超超臨界給水泵進行全流場數值計算。得出以下結論：

（1）該泵葉輪、導葉內壓力分布較為均勻，整體流動狀態良好。首級葉輪進口區域存在低壓區，導葉內存在一定能量損失。

（2）葉輪和導葉內均存在少量不穩定渦結構，表明了高速高壓多級給水泵內部流動的復雜性。首級葉輪內不穩定渦較少；導葉內渦黏性較低，內部能量損失稍大。

（3）水力性能數據對比結果表明，數值計算雖然與試驗值之間存在誤差，但整體預測趨勢準確，預測結果相對誤差小，具有實際工程推廣意義。