1000MW级超超临界给水泵流态分析及性能预测

成晓伟

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海 201316）

0 引言

给水泵是1000 MW级火电超超临界机组的关键辅机，结构形式为BB5型多级离心式，常采用双壳体+整体芯包结构。给水泵的水力特性是其最关键的性能指标，必须在前期设计中重点把控。利用CFD技术对水泵进行三维流场数值计算，进而进行性能预测是目前最常用的水力设计手段，研究人员已进行了卓有成效的研究。江伟、成科、高振军、韩娜、王秀勇等基于CFD技术对离心泵、混流泵进行了流场三维湍流数值模拟和外特性研究[1-5]，通过压力及速度分布解析泵的内部流动机理和现象；研究表明数值模拟对泵水力性能研究具有重要指导意义。

火电给水泵流场结构复杂，建模计算难度大，相关研究较少。本研究对一台1000 MW级超超临界给水泵进行内部流态分析，得到其核心零件的压力、速度云图及湍流涡结构情况，同时将预测性能数值与工厂试验值进行对比分析，为数值模拟与工程设计建立可靠联系。

1 模型建立

1000 MW级给水泵具体结构如图1。设计工况点参数如下：额定转速5050 r/min，流量3433 m3/h，总扬程3830 m。具体的流程：先建立给水泵全流场实体模型。然后在专用软件中做网格划分，采用适应性较强的四面体网格模型。泵三维流场实体模型如图2，网格模型如图3所示。

图1 给水泵剖视图

图2 三维流场模型

图3 流场网格模型

该模型网格数约为1900万个，计算基于有限体积法，使用贴体坐标系和Standardκ-ε湍流模型，压力和速度间的耦合算法选用SIMPLE法。泵进水体的进口断面为圆形，设置为速度入口边界；叶轮叶片表面设置为旋转的绝热固壁边界；稳态计算设置为冻结转子法；各个计算区域交界面设置为GGI方式；出水体出口断面设置为自由出流边界，因为该位置处的流体介质已经近似处于充分发展状态。

2 计算结果分析

2.1 压力分布

进水体的主要功能是均匀引入低压流体，其内部设计的隔舌结构能够充分起到分流消涡作用；出水体的功能是均匀导出高压流体。二者结构需要最大限度减少漩涡或紊流的产生。从图4看出，截面压力基本处于对称性逐层分布状态，无明显的压力突变区。

图4 进水体、出水体中间截面压力分布图

给水泵性能与叶轮和导叶内流场分布特性密切相关，良好的流动状态是获得优良的水力性能的前提。从图5可以看出叶轮、导叶内压力分布较为均匀，且呈中心对称特征，这样可以大大改善叶轮在运行中可能产生的径向力。首级叶轮吸水口位置存在小范围低压区，在该部位叶片表面最可能产生汽蚀，后面四级叶轮内存在少量压力梯度和中心不对称性，可能引起一定的流体激励。此外，叶片表面处压力随着半径的逐渐增大而增加，在同一半径位置，叶片压力面侧的值均高于吸力面侧。从图6可以观察到，叶轮叶片上的压力从第一级到第五级，随着级数增加不断增大，直到设计值。

图5 叶轮+导叶中间截面压力分布图

图6 五级叶轮流道表面压力分布图

2.2 速度分布

由图7、图8可知，给水泵叶轮、导叶内部整体流动状态良好，流体能够较好地贴合叶片流向下级导叶，未出现明显的流动分离，且偏向于从非工作面侧流经叶轮，有利于流动稳定；当流体离开叶轮进入导叶时，在导叶叶片进口及少数曲率较大的位置处发生少量流动分离，说明导叶内存在一定的能量损失。

图7 叶轮+导叶流线轨迹图

图8中，流体在叶轮进口区域存在一些流动分离，这是由于叶轮叶片的入流角与安放角不完全相等，同时存在旋转和叶片弯曲，形成分离涡。

图8 叶轮流场速度矢量图

2.3 湍流涡结构分析

多级给水泵水力性能，尤其是效率的优良与否，是判别其能量转化能力。图9是泵核心水力部件——各级叶轮和导叶内湍流涡结构的分布情况（用涡黏性进行着色）。由图可知，叶轮和导叶内均存在一些不稳定涡结构，说明了高速高压多级给水泵内部流动的复杂性。

图9 各级叶轮和导叶内湍流涡结构（Qinvariant=0.025）

由表1可知，首叶轮扬程最低，这是由于对其进行水力设计时，考虑了抗汽蚀能力。相对其他各级叶轮，首级叶轮内不稳定涡结构较少，涡黏性强度较低。相比于叶轮而言，导叶内涡黏性较低，但湍流涡结构逐级增强，其内部能量损失也逐渐增大。

表1 各级叶轮和导叶的扬程及损失

2.4 水力性能预测及真机试验对比

数值分析完成后，泵进、出口的总能量能够提取获得，通过能量差值和相关数据可以计算得到给水泵的扬程H及效率η。同时，该型给水泵借助工厂试验获取了相关性能数据。具体数值预测值与真实试验值对比如图10所示。

图10 性能曲线数据对比图

对比二者数据可知，数值计算与试验性能曲线存在交叉，即小流量或大流量工况数值预测结果偏高或偏低。这是因为，小流量工况与大流量工况流动分离的程度和逆压梯度均存在明显差异，而Standardκ-ε模型对强剪切大分离逆压梯度流动的预测不敏感，导致了非设计工况下的性能预测存在一定误差。虽然如此，整体预测性能曲线发展趋势正确，扬程相对误差值小于3%，效率相对误差小于4.5%。

3 结论

对1000 MW级超超临界给水泵进行全流场数值计算。得出以下结论：

（1）该泵叶轮、导叶内压力分布较为均匀，整体流动状态良好。首级叶轮进口区域存在低压区，导叶内存在一定能量损失。

（2）叶轮和导叶内均存在少量不稳定涡结构，表明了高速高压多级给水泵内部流动的复杂性。首级叶轮内不稳定涡较少；导叶内涡黏性较低，内部能量损失稍大。

（3）水力性能数据对比结果表明，数值计算虽然与试验值之间存在误差，但整体预测趋势准确，预测结果相对误差小，具有实际工程推广意义。