丁觀琪，樂宇

（中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

我國是煤炭資源大國，也是能源消耗大國。根據(jù)我國電力發(fā)展規(guī)劃，在“十四五”期間，我國預計每年火力發(fā)電保持約3000萬千瓦。作為火電機組強制循環(huán)的核心動力元件，爐水循環(huán)泵的水力特性和可靠性對火電廠具有重大意義。由于爐水循環(huán)泵的重要性，國內(nèi)外學者對其做過一系列研究。在電機方面，徐春通過在電機一側(cè)的冷卻管道加裝過濾器的方案，解決了爐水循環(huán)泵電機腔溫度異常的問題。李少波探討了電機絕緣降低的相關(guān)原因，并提出了電機絕緣降低等一系列工藝改進措施。在水力特性方面，段小輝通過正交試驗法對爐水循環(huán)泵導葉進行了優(yōu)化設(shè)計,得出了進口安放角、喉部面積、擴散角對導葉性能影響程度的主次順序。趙飛通過數(shù)值模擬分析了出口管角度對爐水循環(huán)泵內(nèi)部流動規(guī)律的影響，得出130°為最大出口管角。包角作為影響水力特性的重要參數(shù)，Tan通過數(shù)值模擬，得出了葉片包角對單葉片泵水力特性和軸向力的影響趨勢。Prabu通過數(shù)值模擬得出當包角在8°～15°時對混流泵有著最小的二次流損失。王燕燕通過計算流體力學方法，得出126°葉片包角與24°出口安放角為某款離心泵的葉輪參數(shù)最優(yōu)組合。然而，少有文獻對爐水循環(huán)泵葉片包角進行研究，本文擬彌補此領(lǐng)域空白。

1 過流部件設(shè)計

本文選取的爐水循環(huán)泵設(shè)計參數(shù)為：額定流量Q：1000m3/h；額定揚程H：115m；轉(zhuǎn)速n：2980r/min；比轉(zhuǎn)速ns：166.5。葉輪和導葉作為核心過流部件，經(jīng)過水力設(shè)計計算，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 導葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)學模型

2.1 三維模型

根據(jù)爐水循環(huán)泵過流部件特征運用CREO軟件進行三維建模，其主要部分為進口段、葉輪、導葉以及蝸殼水體。在建模過程中，為了方便后續(xù)數(shù)值模擬計算的進行，將模型中尖角部分進行鈍化處理并忽略微小間隙。此外，為了保證進口流動的充分發(fā)展，對進口水體的三維模型進行了延長。三維模型如圖1所示。

圖1 水體域三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬計算過程中，網(wǎng)格生成方式及數(shù)量會對

圖2 水體域網(wǎng)格劃分

模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。由于四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在流場數(shù)值模擬計算中有較強適應(yīng)性，可以準確地捕捉流動特性，所以本文采用ANSYS ICEM對計算域進行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示。選取揚程及效率作為模擬精度指標，綜合考慮計算機運行時間，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，整個計算域網(wǎng)格數(shù)為886萬，且y+值均小于100。

2.3 湍流模型

考慮在工程問題中的廣泛適用性以及對離心泵內(nèi)部流場特性的良好捕捉，本文使用標準模型進行爐水循環(huán)泵的內(nèi)部流場仿真計算。標準模型是兩方程模型，其中為湍動能，為耗散率，通過運輸方程和N-S方程聯(lián)合求解得到如下方程組：

其中，μt為湍流粘度；Cμ，C1ε，C2ε，σk，σε為經(jīng)驗常數(shù)；Sk為黏性力；Sε為湍動應(yīng)力；Gk為湍流動能。

2.4 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬在ANSYS CFX中進行，其中流場進口設(shè)置為壓力進口，出口設(shè)置為質(zhì)量流量出口，數(shù)值由具體工況下流量換算得到。全計算域仿真中，除葉輪域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域，其他域均為靜止域，動靜域交界處選取“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”。

3 仿真結(jié)果

3.1 穩(wěn)態(tài)流場

經(jīng)過數(shù)值模擬計算，爐水循環(huán)泵外特性如圖3所示。選取流量點分別為0.8Q，0.9Q，1Q（額定工況點），1.1Q，1.2Q，在額定工況（流量1000m3/h）下，揚程為115.6m，效率為84.17%，功率為373kW，能夠符合設(shè)計要求。

圖3 外特性曲線

綜合外特性曲線可知，隨著流量的增加，揚程成下降趨勢，越過額定流量點后，揚程下降趨勢變快。效率曲線在額定流量點之前上升，在額定流量點達到最大值，額定流量點后緩慢下降。功率曲線則始終保持上升。由外特性曲線趨勢可以推測出過流部件的設(shè)計與設(shè)計點匹配較好，揚程在大流量工況下下降趨勢變快，可能輸送介質(zhì)在葉輪中運動發(fā)展不充分有關(guān)。

為了更好地對內(nèi)部流場進行研究，分別選取0.8Q，1Q，1.2Q作為小流量、額定流量和大流量的代表流量。圖4為爐水循環(huán)泵在三種流量下葉輪和導葉中截面壓力分布云圖。由圖可知，最高壓力均分布在導葉出口，最低壓力均分布在葉輪進口，符合離心泵工作機理。三種流量下葉輪與導葉內(nèi)壓力分布都比較均勻，隨著流量的升高，高壓分布區(qū)域由導葉內(nèi)部流道外溢至導葉進口區(qū)，葉輪進口位置壓力略有升高，這也符合外特性曲線中揚程變化特性。此外，導葉進口附近出現(xiàn)了高壓點，說明此位置有速度畸變，這與葉輪導葉干涉有關(guān)，不影響過流部件的過流能力。

圖4 中截面壓力云圖

圖5為爐水循環(huán)泵在三種流量下葉輪和導葉中截面速度分布云圖。由圖可知，流動介質(zhì)在葉輪和導葉流道內(nèi)發(fā)展比較充分。在靠近葉輪和導葉工作面區(qū)域，有一個低速區(qū)。這可能與流動在此區(qū)域出現(xiàn)了二次流或流動分離有關(guān)。在0.8Q流量工況下，葉輪和導葉間隙區(qū)域中出現(xiàn)了一個高速區(qū)，速度值明顯大于平均速度場，此類現(xiàn)象與葉輪導葉的動靜干涉引起的壓力波動有關(guān)?？傮w來說，速度場分布均勻，無明顯旋渦區(qū)域出現(xiàn)，符合設(shè)計要求。

圖5 中截面速度云圖

3.2 葉片包角的影響

為了研究葉片包角對爐水循環(huán)泵外特性和內(nèi)流分布規(guī)律的影響，文中基于葉片包角為120°的原模型分別進行了包角為115°和125°的模型運算。圖6為三種包角下的外特性曲線。由圖5可以看出，整個流量區(qū)間內(nèi)，在小流量點（0.8Q），115°包角葉輪所產(chǎn)生的揚程最大，120°包角葉輪所產(chǎn)生的揚程最??；125°包角葉輪效率最高，120°包角葉輪效率最低。除去小流量點，外特性分布規(guī)律基本保持一致。以額定工況點為例，就揚程來看，120°與115°包角葉輪所產(chǎn)生的揚程接近，均大于125°包角葉輪。效率方面，115°與125°包角葉輪效率接近，均低于120°包角葉輪。功率方面，120°與125°包角葉輪接近，均低于115°包角葉輪。在揚程達到設(shè)計要求的前提下，一般都采用效率為參照指標，120°包角為該型號爐水循環(huán)泵葉輪葉片的最優(yōu)包角。

圖6 外特性曲線

圖7為在額定工況點下三種包角下葉輪和導葉中截面壓力分布云圖?？傮w來看，三種包角下壓力分布都相對較為均勻。125°包角情況下，葉輪進口壓力相對較高，說明包角的增大能夠?qū)θ~輪進口處的流動狀態(tài)有一定影響。此外，從壓力分布區(qū)域來看，120°包角葉輪中的高壓區(qū)域分布范圍最小，說明導葉所受載荷分布相對均勻，可靠性更好。

圖7 不同包角下中截面壓力云圖（1Q下）

圖8為在額定工況點下三種包角下葉輪和導葉中截面速度分布云圖?？傮w來看，三種包角下速度發(fā)展均較為充分，沒有明顯的渦流區(qū)域出現(xiàn)。在葉輪流道內(nèi)部，靠近葉片工作面位置，均出現(xiàn)了低速區(qū)。隨著包角增大，此低速區(qū)面積減小且最低速度有升高，說明包角越大，水體在葉輪流道內(nèi)流動發(fā)展越充分，產(chǎn)生二次流或流動分離的概率更小，通流特性更好。

圖8 不同包角下中截面速度云圖（1Q下）

4 結(jié)語

（1）本文對某款爐水循環(huán)泵進行了水力設(shè)計和特性研究，在設(shè)計流量點，揚程為115.6m，效率為84.17%，滿足性能要求。

（2）葉片包角對水力性能有一定影響，在設(shè)計流量點，115°包角有最大揚程，120°包角有最大效率，125°包角葉輪流動發(fā)展更加充分。

（3）以效率為參照指標，120°為本款爐水循環(huán)泵葉輪的最佳葉片包角取值。其水力模型的成功開發(fā)，對今后爐水循環(huán)泵的設(shè)計開發(fā)具有極強的指導意義和參考價值。