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(guān)鍵輔機，結(jié)構(gòu)形式為BB5型多級離心式，常采用雙殼體+整體芯包結(jié)構(gòu)。給水泵的水力特性是其最關(guān)鍵的性能指標(biāo)，必須在前期設(shè)計中重點把控。利用CFD技術(shù)對水泵進行三維流場數(shù)值計算，進而進行性能預(yù)測是目前最常用的水力設(shè)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(shù)對離心泵、混流泵進行了流場三維湍流數(shù)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(nèi)部流動機理和現(xiàn)象；研究表明數(shù)值模擬對泵水力性能研究具有重要指導(dǎo)意義。

火電給水泵流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模計算難度大，相關(guān)研究較少。本研究對一臺1000 MW級超超臨界給水泵進行內(nèi)部流態(tài)分析，得到其核心零件的壓力、速度云圖及湍流渦結(jié)構(gòu)情況，同時將預(yù)測性能數(shù)值與工廠試驗值進行對比分析，為數(shù)值模擬與工程設(shè)計建立可靠聯(lián)系。

1 模型建立

1000 MW級給水泵具體結(jié)構(gòu)如圖1。設(shè)計工況點參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)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(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性較強的四面體網(wǎng)格模型。泵三維流場實體模型如圖2，網(wǎng)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(wǎng)格模型

該模型網(wǎng)格數(shù)約為1900萬個，計算基于有限體積法，使用貼體坐標(biāo)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(shè)置為速度入口邊界；葉輪葉片表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)的絕熱固壁邊界；穩(wěn)態(tài)計算設(shè)置為凍結(jié)轉(zhuǎn)子法；各個計算區(qū)域交界面設(shè)置為GGI方式；出水體出口斷面設(shè)置為自由出流邊界，因為該位置處的流體介質(zhì)已經(jīng)近似處于充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

2 計算結(jié)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(nèi)部設(shè)計的隔舌結(jié)構(gòu)能夠充分起到分流消渦作用；出水體的功能是均勻?qū)С龈邏毫黧w。二者結(jié)構(gòu)需要最大限度減少漩渦或紊流的產(chǎn)生。從圖4看出，截面壓力基本處于對稱性逐層分布狀態(tài)，無明顯的壓力突變區(qū)。

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(dǎo)葉內(nèi)流場分布特性密切相關(guān)，良好的流動狀態(tài)是獲得優(yōu)良的水力性能的前提。從圖5可以看出葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)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(chǎn)生的徑向力。首級葉輪吸水口位置存在小范圍低壓區(qū)，在該部位葉片表面最可能產(chǎn)生汽蝕，后面四級葉輪內(nèi)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?zhèn)鹊闹稻哂谖γ鎮(zhèn)?。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(shù)增加不斷增大，直到設(shè)計值。

圖5 葉輪+導(dǎo)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(dǎo)葉內(nèi)部整體流動狀態(tài)良好，流體能夠較好地貼合葉片流向下級導(dǎo)葉，未出現(xiàn)明顯的流動分離，且偏向于從非工作面?zhèn)攘鹘?jīng)葉輪，有利于流動穩(wěn)定；當(dāng)流體離開葉輪進入導(dǎo)葉時，在導(dǎo)葉葉片進口及少數(shù)曲率較大的位置處發(fā)生少量流動分離，說明導(dǎo)葉內(nèi)存在一定的能量損失。

圖7 葉輪+導(dǎo)葉流線軌跡圖

圖8中，流體在葉輪進口區(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)分析

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

圖9 各級葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)湍流渦結(jié)構(gòu)（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(shè)計時，考慮了抗汽蝕能力。相對其他各級葉輪，首級葉輪內(nèi)不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)較少，渦黏性強度較低。相比于葉輪而言，導(dǎo)葉內(nèi)渦黏性較低，但湍流渦結(jié)構(gòu)逐級增強，其內(nèi)部能量損失也逐漸增大。

表1 各級葉輪和導(dǎo)葉的揚程及損失

2.4 水力性能預(yù)測及真機試驗對比

數(shù)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(guān)數(shù)據(jù)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(guān)性能數(shù)據(jù)。具體數(shù)值預(yù)測值與真實試驗值對比如圖10所示。

圖10 性能曲線數(shù)據(jù)對比圖

對比二者數(shù)據(jù)可知，數(shù)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(shù)值預(yù)測結(jié)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(yù)測不敏感，導(dǎo)致了非設(shè)計工況下的性能預(yù)測存在一定誤差。雖然如此，整體預(yù)測性能曲線發(fā)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(jié)論

對1000 MW級超超臨界給水泵進行全流場數(shù)值計算。得出以下結(jié)論：

（1）該泵葉輪、導(dǎo)葉內(nèi)壓力分布較為均勻，整體流動狀態(tài)良好。首級葉輪進口區(qū)域存在低壓區(qū)，導(dǎo)葉內(nèi)存在一定能量損失。

（2）葉輪和導(dǎo)葉內(nèi)均存在少量不穩(wěn)定渦結(jié)構(gòu)，表明了高速高壓多級給水泵內(nèi)部流動的復(fù)雜性。首級葉輪內(nèi)不穩(wěn)定渦較少；導(dǎo)葉內(nèi)渦黏性較低，內(nèi)部能量損失稍大。

（3）水力性能數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明，數(shù)值計算雖然與試驗值之間存在誤差，但整體預(yù)測趨勢準(zhǔn)確，預(yù)測結(jié)果相對誤差小，具有實際工程推廣意義。