多級給水泵導葉結構優化設計

成曉偉，陳乃娟，胡永海，陸佳銘

(中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海 201316)

鍋爐給水泵是火電機組的關鍵輔機，其能耗指標直接影響著整個電廠運行的經濟性。近年來，國內的環境問題日益突顯，節能減排、可持續發展成為行業未來發展的方向。目前，國內較成熟的節能改造方法主要如下：采用更大容量、更高參數和效率的泵組；電泵組改汽泵組；電泵組變頻改造等。這些方法雖然可以有效地降低電廠用電指標，但都需要對原有機組設備進行重大改動，投入成本較高，投資周期較長。

隨著企業自主研發創新能力的增強，以及新型設計手段的進步，許多學者逐步采用改進優化水泵內部的核心水力部件(如葉輪、導葉、蝸殼等)的方法[1-9]，直接提升過流部件的水力效率，進而改善水泵性能，達到節能目的。該方法的主要優點是：無需改造原有機組的基礎或者重要設備，只要更換水泵內部的核心水力部件即可，投入成本低，整改周期短。水力優化節能改造方案，不但可以更好地完善節能改造體系，提升企業核心技術及設計研發能力，還可以對已有產品進行升級換代。

本文針對一臺雙殼體式多級離心給水泵的導葉進行水力優化，通過對其細節水力結構的改進，提高水泵的揚程、效率等外特性指標，為豐富給水泵節能改造手段提供堅實的依據。

1 技術路線及主要技術參數

對導葉原型及優化模型分別進行三維建模，利用CFD技術進行流場仿真評估，提取給水泵的外特性曲線，并觀察內部流場情況，通過數據對比得到較優方案進行投產試驗，按照試驗數據進行判定，選取最優模型作為定型產品。

該給水泵具體結構如圖1所示，設計工況主要技術參數為：額定轉速n=5 500 r/min，流量Q=540 m3/h，總揚程H=2 070 m，最高點效率η=79.5%。

圖1 給水泵結構剖面圖

由圖1可知，對于給水泵來說，影響性能的水力部件主要有：葉輪、導葉、進水段、出水段、平衡鼓等。進、出水段和平衡鼓的結構型式對于水泵效率優化的作用相對較小，本文主要針對導葉的水力結構進行改進。

2 結構優化設計

2.1 原型導葉結構問題分析

多級離心泵的導葉一般為徑向式，由正導葉、過渡區域(轉彎部分)、反導葉組成。正導葉主要作用是在盡量降低損失的前提下收集葉輪出口的高速流體；過渡區作用是平緩地改變流體流動方向；反導葉作用是降低速度，消除流體旋轉分量，并把流體引入下級葉輪。

導葉水力設計的關鍵影響參數包括[10]葉片數量、導葉基圓直徑、正導葉入口寬度b3、入口角度β3、入口喉部面積A1、出口面積A2、正反導葉過渡區域的形狀(很重要)、反導葉的入流角度β5和進出口面積等。

對于該給水泵來說，為成熟設計產品，工程應用及設計匹配度較好，幾個關鍵參數，如：葉輪出口寬度、葉輪流道出口面積、葉片包角、導葉入口喉部面積和葉片數等不應過多調整，在此前提下，若要提高水力效率，應減少流體在導葉流道內的流動損失，改進流道結構中發生突變的區域(如直角過流位置、過流面積突變位置)，使之平滑過渡，同時合理控制間隙流動(如葉輪出口與導葉入口的流動區域)。

通過仔細研究該型給水泵原型導葉過流部分的結構，發現其結構較為簡易，有很大優化空間。

原型導葉的型式為徑向式，主要存在如下問題。

1)正、反導葉過渡區域流道多處出現直角形狀，過渡不夠平緩，介質在變向過程中幾乎處于垂直流動狀態，有優化空間(見圖2和圖3)。

圖2 原型導葉流體流動示意圖

圖3 原型導葉部分直角過渡結構

2)反導葉入口處喉部面積出現突變結構，無法實現平緩分流，需要優化改進(見圖4)。

圖4 原型反導葉入口喉部

2.2 結構優化方案

原型導葉的結構必然影響給水泵的整體水力效率，需要集中對這幾個不合理區域進行優化修改，本文主要形成了2種優化方案。

優化方案一：導葉型式保持不變，依然為徑向式，將原型導葉的部分直角過渡結構進行修改，同時改進反導葉入口喉部面積變化不均的情況，通過三維建模，得到優化后結構(見圖5和圖6)。

圖5 優化方案一光滑過渡結構

圖6 優化方案一反導葉喉部改進

優化方案二：改變導葉型式，將徑向式改為流道式，同時改善原型中的直角過渡結構和反導葉入口喉部面積變化不均的情況，優化后結構如圖7和圖8所示。

圖7 優化方案二光滑過渡結構

圖8 優化方案二流線式光滑過渡

2種方案的優化方向是一致的，都是為了達到導葉流道光順連續、面積過渡均勻的目的，這樣的優化方法使流體在運動發展時不易產生旋渦及碰撞，脫流與回流渦等現象均得到有效改善，必然可以改善流動狀況，并提高零件水力效率。

2.3 流場計算對比

本文采用了CFD流場數值計算與真實試驗相結合的方法，利用流場計算快速對比優化方案，定性分析每種方案的可行性，然后根據計算結果篩選出較優方案，進一步投產試驗，這樣可以大大減短研發周期，并提高產品設計的一次成功率。

數值計算基于有限體積法，采用貼體坐標系、隱式分離求解器和RNGκ-ε湍流模型。對基本控制方程的離散差分采用如下設置：壓力項采用標準格式，動量項、紊動能項和紊黏系數項均采用二階迎風差分格式，壓力和速度之間的耦合算法選用SIMPLEC法[11]。分析計算中，抽取單級葉輪和單級導葉進行定性計算，流場三維模型如圖9所示，網格離散化模型如圖10所示。葉輪+導葉截面壓力分布云圖分別如圖11和圖12所示。從壓力分布圖可以看出，葉輪、導葉內壓力分布較為均勻，且呈中心對稱特征。葉片表面的壓力分布從進口到出口沿半徑方向逐漸增加。

圖9 葉輪+導葉流線流道

圖10 網格模型

圖11 葉輪+導葉軸面壓力云圖

圖12 葉輪+導葉斷面壓力云圖

根據CFD流場計算結果，與原型相比，若采用優化方案一，給水泵在設計流量點效率提升0.8%，揚程提升1%，軸功率數值變化不大。若采用優化方案二，給水泵在設計流量點效率提升2%，揚程提升5%，軸功率數值下降。綜上所述，決定采用優化方案二進行投產試驗。

3 產品試制與對比試驗

產品試制采用3D打印模具+精密澆鑄獲得鑄件的快速成型方法，大大縮短了研發周期。優化導葉最終試驗用實體零件分別如圖13和圖14所示。

圖13 3D打印模具

圖14 優化導葉鑄件圖

試驗首先對原型給水泵實施，通過采集得到其流量-揚程、流量-效率、流量-軸功率數據，接著，在其他零部件保持一致的前提下，將泵內導葉全部更換為優化后的新型導葉，在相同試驗場地再次進行性能試驗，同時將流場仿真計算結果列出，得到圖15所示的相關對比數據曲線。

圖15 性能曲線數據對比圖

從圖15中可以看出，導葉(優化方案二)優化后的給水泵在設計流量點處效率提升1.6%，揚程提升約6%，軸功率數值少量下降。

4 結語

本文針對給水泵原型導葉存在的關鍵問題，制定2種優化方案分別進行有針對性的改進，得到如下結論。

1)將傳統徑向型導葉優化為空間流道式導葉可以有效改善流體的脫流與回流渦現象，提高設備的揚程及效率，并在一定程度上降低軸功率。

2)聯合采用CFD流場仿真評估結合3D打印快速成型方法，能夠有效縮短研發制造周期。

3)對給水泵核心水力部件導葉進行結構優化，能夠實現水泵外特性曲線的調整，從而改變水泵運行工況來滿足實際工程要求。此方法可以從根源上提高設備效率，降低能耗，節省電廠用電，是節能改造工程的可行手段之一。