丁觀琪，樂(lè)宇

（中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 352000）

我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，也是能源消耗大國(guó)。根據(jù)我國(guó)電力發(fā)展規(guī)劃，在“十四五”期間，我國(guó)預(yù)計(jì)每年火力發(fā)電保持約3000萬(wàn)千瓦。作為火電機(jī)組強(qiáng)制循環(huán)的核心動(dòng)力元件，爐水循環(huán)泵的水力特性和可靠性對(duì)火電廠具有重大意義。由于爐水循環(huán)泵的重要性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其做過(guò)一系列研究。在電機(jī)方面，徐春通過(guò)在電機(jī)一側(cè)的冷卻管道加裝過(guò)濾器的方案，解決了爐水循環(huán)泵電機(jī)腔溫度異常的問(wèn)題。李少波探討了電機(jī)絕緣降低的相關(guān)原因，并提出了電機(jī)絕緣降低等一系列工藝改進(jìn)措施。在水力特性方面，段小輝通過(guò)正交試驗(yàn)法對(duì)爐水循環(huán)泵導(dǎo)葉進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),得出了進(jìn)口安放角、喉部面積、擴(kuò)散角對(duì)導(dǎo)葉性能影響程度的主次順序。趙飛通過(guò)數(shù)值模擬分析了出口管角度對(duì)爐水循環(huán)泵內(nèi)部流動(dòng)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(guò)數(shù)值模擬，得出了葉片包角對(duì)單葉片泵水力特性和軸向力的影響趨勢(shì)。Prabu通過(guò)數(shù)值模擬得出當(dāng)包角在8°～15°時(shí)對(duì)混流泵有著最小的二次流損失。王燕燕通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)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(xiàn)對(duì)爐水循環(huán)泵葉片包角進(jìn)行研究，本文擬彌補(bǔ)此領(lǐng)域空白。

1 過(guò)流部件設(shè)計(jì)

本文選取的爐水循環(huán)泵設(shè)計(jì)參數(shù)為：額定流量Q：1000m3/h；額定揚(yáng)程H：115m；轉(zhuǎn)速n：2980r/min；比轉(zhuǎn)速ns：166.5。葉輪和導(dǎo)葉作為核心過(guò)流部件，經(jīng)過(guò)水力設(shè)計(jì)計(jì)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(dǎo)葉主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 三維模型

根據(jù)爐水循環(huán)泵過(guò)流部件特征運(yùn)用CREO軟件進(jìn)行三維建模，其主要部分為進(jìn)口段、葉輪、導(dǎo)葉以及蝸殼水體。在建模過(guò)程中，為了方便后續(xù)數(shù)值模擬計(jì)算的進(jìn)行，將模型中尖角部分進(jìn)行鈍化處理并忽略微小間隙。此外，為了保證進(jìn)口流動(dòng)的充分發(fā)展，對(duì)進(jìn)口水體的三維模型進(jìn)行了延長(zhǎng)。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(jì)算過(guò)程中，網(wǎng)格生成方式及數(shù)量會(huì)對(duì)

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(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算中有較強(qiáng)適應(yīng)性，可以準(zhǔn)確地捕捉流動(dòng)特性，所以本文采用ANSYS ICEM對(duì)計(jì)算域進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，如圖2所示。選取揚(yáng)程及效率作為模擬精度指標(biāo)，綜合考慮計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)為886萬(wàn)，且y+值均小于100。

2.3 湍流模型

考慮在工程問(wèn)題中的廣泛適用性以及對(duì)離心泵內(nèi)部流場(chǎng)特性的良好捕捉，本文使用標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行爐水循環(huán)泵的內(nèi)部流場(chǎng)仿真計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)模型是兩方程模型，其中為湍動(dòng)能，為耗散率，通過(guò)運(yùn)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(yàn)常數(shù)；Sk為黏性力；Sε為湍動(dòng)應(yīng)力；Gk為湍流動(dòng)能。

2.4 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬在ANSYS CFX中進(jìn)行，其中流場(chǎng)進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)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(jì)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(dòng)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(chǎng)

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，爐水循環(huán)泵外特性如圖3所示。選取流量點(diǎn)分別為0.8Q，0.9Q，1Q（額定工況點(diǎn)），1.1Q，1.2Q，在額定工況（流量1000m3/h）下，揚(yáng)程為115.6m，效率為84.17%，功率為373kW，能夠符合設(shè)計(jì)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(yáng)程成下降趨勢(shì)，越過(guò)額定流量點(diǎn)后，揚(yáng)程下降趨勢(shì)變快。效率曲線在額定流量點(diǎn)之前上升，在額定流量點(diǎn)達(dá)到最大值，額定流量點(diǎn)后緩慢下降。功率曲線則始終保持上升。由外特性曲線趨勢(shì)可以推測(cè)出過(guò)流部件的設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)點(diǎn)匹配較好，揚(yáng)程在大流量工況下下降趨勢(shì)變快，可能輸送介質(zhì)在葉輪中運(yùn)動(dòng)發(fā)展不充分有關(guān)。

為了更好地對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)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(dǎo)葉中截面壓力分布云圖。由圖可知，最高壓力均分布在導(dǎo)葉出口，最低壓力均分布在葉輪進(jìn)口，符合離心泵工作機(jī)理。三種流量下葉輪與導(dǎo)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(dǎo)葉內(nèi)部流道外溢至導(dǎo)葉進(jìn)口區(qū)，葉輪進(jìn)口位置壓力略有升高，這也符合外特性曲線中揚(yáng)程變化特性。此外，導(dǎo)葉進(jìn)口附近出現(xiàn)了高壓點(diǎn)，說(shuō)明此位置有速度畸變，這與葉輪導(dǎo)葉干涉有關(guān)，不影響過(guò)流部件的過(guò)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(dǎo)葉中截面速度分布云圖。由圖可知，流動(dòng)介質(zhì)在葉輪和導(dǎo)葉流道內(nèi)發(fā)展比較充分。在靠近葉輪和導(dǎo)葉工作面區(qū)域，有一個(gè)低速區(qū)。這可能與流動(dòng)在此區(qū)域出現(xiàn)了二次流或流動(dòng)分離有關(guān)。在0.8Q流量工況下，葉輪和導(dǎo)葉間隙區(qū)域中出現(xiàn)了一個(gè)高速區(qū)，速度值明顯大于平均速度場(chǎng)，此類(lèi)現(xiàn)象與葉輪導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉引起的壓力波動(dòng)有關(guān)?？傮w來(lái)說(shuō)，速度場(chǎng)分布均勻，無(wú)明顯旋渦區(qū)域出現(xiàn)，符合設(shè)計(jì)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(duì)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(jìn)行了包角為115°和125°的模型運(yùn)算。圖6為三種包角下的外特性曲線。由圖5可以看出，整個(gè)流量區(qū)間內(nèi)，在小流量點(diǎn)（0.8Q），115°包角葉輪所產(chǎn)生的揚(yáng)程最大，120°包角葉輪所產(chǎn)生的揚(yáng)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(diǎn)，外特性分布規(guī)律基本保持一致。以額定工況點(diǎn)為例，就揚(yáng)程來(lái)看，120°與115°包角葉輪所產(chǎn)生的揚(yáng)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(yáng)程達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，一般都采用效率為參照指標(biāo)，120°包角為該型號(hào)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(diǎn)下三種包角下葉輪和導(dǎo)葉中截面壓力分布云圖?？傮w來(lái)看，三種包角下壓力分布都相對(duì)較為均勻。125°包角情況下，葉輪進(jìn)口壓力相對(duì)較高，說(shuō)明包角的增大能夠?qū)θ~輪進(jìn)口處的流動(dòng)狀態(tài)有一定影響。此外，從壓力分布區(qū)域來(lái)看，120°包角葉輪中的高壓區(qū)域分布范圍最小，說(shuō)明導(dǎo)葉所受載荷分布相對(duì)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(diǎn)下三種包角下葉輪和導(dǎo)葉中截面速度分布云圖?？傮w來(lái)看，三種包角下速度發(fā)展均較為充分，沒(méi)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(shuō)明包角越大，水體在葉輪流道內(nèi)流動(dòng)發(fā)展越充分，產(chǎn)生二次流或流動(dòng)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(yǔ)

（1）本文對(duì)某款爐水循環(huán)泵進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)和特性研究，在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，揚(yáng)程為115.6m，效率為84.17%，滿(mǎn)足性能要求。

（2）葉片包角對(duì)水力性能有一定影響，在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)，115°包角有最大揚(yáng)程，120°包角有最大效率，125°包角葉輪流動(dòng)發(fā)展更加充分。

（3）以效率為參照指標(biāo)，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(kāi)發(fā)，對(duì)今后爐水循環(huán)泵的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。