600MW超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计

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2013年 10月第 41卷 第 19期机床与液压MACHINE T0OL& HYDRAULICSOct．2013Vo1．41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．018600 MW超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计梁卫兵 ，吴宝鑫，胡永海(上海电力修造总厂有限公司，上海 201316)摘要：增加叶轮出口宽度是降低离心泵关断点扬程的典型方法。针对 600 MW超临界锅炉给水泵关断点扬程过高问题 ，分别提出4种增加叶轮出口宽度的方式对其进行改型设计。对其中1种改型方案通过试验方法研究，其余3种改型方案采用 CFD方法研究。结果表明：采用移动前盖板出口的方法降低关断点扬程的效果最佳，其水力性能参数优于其余3种方法，运行流量为1 250 m ／h时，相比于平行移动前盖板方法效率增加 1．9％；叶轮出口宽度变化比与扬程变化比在一定范围内满足二次多项式回归关系。在此基础上，拟合出二次多项式方程。

关键词：叶轮出口宽度；600 MW超临界锅炉给水泵；关断点扬程 ；水力性能中图分类号：S277．9；TH311 文献标识码 ：A 文章编号：1001—3881(2013)19—066—4Optimization of Impeller Outlet W idth for 600 M W Supercritical Boiler Feed PumpLIANG Weibing，WU Baoxin。HU Yonghai(Shanghai Power Equipment Manufacture Co．，Ltd．，Shanghai 201316，China)Abstract：There is a typical method for hydraulic performance of centrifugal pump，which is caled width increasing of impeleroutlet．Four methods of increasing impeler outlet width were put forward aiming at 600 MW supercritical pressure boiler feed pump cut—of head over high．Test method was introduced to investigate one of four increasing impeller outlet methods，the others were used CFDto analyze．Results indicate that the method of moving frond shroud outlet has the best efect on decreasing pump cut—of head and hy-draulic parameters．Compared with“moving frond shroud”，using“moving frond shroud outlet”，eficiency is enhanced by 1．9％ .

The relationship between width ratio and head ratio could be expressed by quadratic polynomial regression，then the quadratic polyno-mial equation was fit.

Keywords：Impeler outlet width；600 MW supercritical pressure boiler feed pump；Cut-of head；Hydraulic performance叶轮出口宽度是离心泵的主要几何参数之一，随着出口宽度的改变，扬程、效率也发生相应的变化。

由于工程实践中经常用增加叶轮出口宽度的方法来调整离心泵的性能曲线，因此，研究叶轮出口宽度对离心泵性能影响至关重要 ¨ 。尽管增加叶轮出口宽度，理论 “流量 一扬程”曲线斜率降低，同时，泵高效点向大流量区域移动等结论已有研究成果，但迄今为止，对于采用何种增加叶轮出口宽度的方式最为合理尚无定论；叶轮出口宽度与泵水力性能参数的定量研究还是空 白。

随着计算机技术以及计算流体力学等学科的飞速发展，数值模拟与理论分析、试验研究等一起构成了研究泵内流动的重要方法 ，一方面可以节省试验资源，另一方面可以显示不能从试验工具中得出的流动特性的细节 。

针对个别电厂用户要求降低600 MW超临界锅炉给水泵关断点扬程，以满足出口管路极限强度的设计，作者采用优化叶轮出口宽度的方法对该泵型进行改型设计，分别提出4种增加叶轮出口宽度的方法：平行移动前盖板；平行移动后盖板；移动前盖板出口；移动后盖板出口。基于平行移动前盖板的试验结果，验证该计算方法应用在600 MW超临界机组锅炉给水泵设计中的可行性。在此基础上，利用 CFD技术比较研究其余3种叶轮出口宽度增加方式对降低关断点扬程和水力性能方面的差异性 ，并针对最佳的叶轮出口增加方式拟合出口宽度增加量与关断点扬程降低量的计算方程。

1 增加叶轮出口宽度方式比较对 600 MW超临界锅炉给水泵叶轮分别采用 4种增加叶轮出口宽度的方式改型设计，分别为 ：平行移动前盖板；平行移动后盖板；移动前盖板出口；移动后盖板出口。移动前后盖板出口旨在保证人口尺寸不变的条件下完成，图1、2给出4种方法移动前后盖板的具体方式图。

收稿日期：2012—09—12作者简介：梁卫 兵 (1959一)，男 ，大学 本科 ，高级 工 程师 ，研 究 方 向 为高 效锅 炉 给 水 泵。E—mail：liangwb###spem-con·ca。

· 68· 机床与液压 第41卷Q／(m ·h‘ 、(a)扬程Ql(m ·h’l、(b)效率图5 增加 b 的叶轮计算结果和试验结果的对 比3 4种叶轮出口加宽方式比较3．1 物理模型与计算方法流场计算采用商用 CFD软件 ANSYS—CFX13．0完成，计算采用标准 一s湍流模型 ，压力和速度的耦合采用 SIMPLE算法。通过理论分析发现：在旋转坐标系下，雷诺应力的表达式与惯性坐标系下不同，但湍动能方程是相同的。修正湍动能 为主要模型参数的湍流模型以提升非设计工况下叶轮内部流动进行预测时的精度。

计算网格采用六面体网格 ，整个计算域 网格在100万 以上。在叶片近壁面、头尾缘等流动复杂 区域，对网格局部加密以提高这些区域内的分辨率。边界条件设定如下：进 口压力为前置泵出口压力 即2．5 MPa；出口采用质量流量边界，叶片表面与前后盖板采用无滑移边界条件；收敛标准定义为基于所有控制体的平均残差下降至l0～；进出口质量流量差在0．1％以下。

3．2 4种叶轮 出口宽度性能曲线图 6给出 4种方法增 。

加 叶轮 出 口宽度 的 “流 。。

羹 辈亲蓄 簿 言 ： 荔 臻 军度可以降低 “流量 一扬 ”『十后盖板出口平移程，．1生能曲线斜率，主要 。 古体现在关断点扬程增加量 Q ( 舻 “ ’增加量。移动前后盖板出 宽度方法扬程对比盖板出口的叶轮效率均高于移动后盖板出口的叶轮效率。

由于在 中小流量 区增 82加叶轮出口宽度引起叶轮 ：：效率下降，这是高效率点向大流量方 向偏移 的必然 74结果。移 动前盖板出 口这 72种 方法 效 率 下 降 始 终 在I％以内，而其余3种方法效率最大下降量达到5％。

在 额 定 工 况 Q=Q0．8 I．0 1．2 1．4 I．6Q，(×10 m。·h‘ )图7 4种增加叶轮出口宽度方法效率对比下，移动前盖板出口相比于平行移动前盖板方法效率提升 1．9％ ，因此 ，采用移动前盖板出口方法增加叶轮出口宽度其水力性能最佳。

3．3 性能关系式拟合为了更好地揭示移动前盖板 出口方法对 600 MW超临界锅炉给水泵性能的影响，重点选取关断点流量、额定流量和大流量 3个工况点 (0．25Q 、Q 、1．5Q )，详细研究在这 3个工况下不同叶轮出口宽度变化对叶轮扬程和效率的影响，并在此基础上拟合出叶轮出口宽度与扬程的计算方程。

分别定义横坐标为叶轮出口宽度增加后 b 与增加前 b：之比 (6 ／b )，纵坐标为相应的扬程变化后日 与变化前 日之比 (H ／H)。

图8分别给出3种工况下叶轮出口宽度变化比与扬程变化比的关系曲线，在1．05≤b'2／b ≤1．15范围内，3个工况点的曲线特征均满足二次多项式分布，在此基础上，拟合二次多项式趋势线 ，其最大偏差在1％之内，属于给水泵设计的正常误差范围。

b；／b 2(a)Q 0．2SQd1．071．061．051．04≈1．031·O21．015 1．025 L05 1．075 1．1 1．125 1．15b ／b2(b)Q=ed6i 2(c)Q=I·5Qd图8 3种工况下叶轮出口宽度效率与流量曲线根据图 8(a)，当 Q=0．25Q 时，自变量为6 ：／6：的二次多项式回归方程为：第 19期 梁卫兵 等：600 MW超临界锅炉给水泵叶轮出口宽度优化设计 ·69·’
百Ht-o．47 ( )儿54 (8)根据图8(b)，当Q=Q 时，自变量为6 ／6 的二次多项式回归方程为：等-5-5㈤ l1．75㈥+7_24 (9)根据 图 8 (C)，当 Q=1．5Q 时，自变 量 为／6 的二次多项式回归方程为：等 2_ 4 +s．65 (10)多项式回归方程仅用于指导600 MW超临界锅炉给水泵叶轮出口改型设计 ，适用范围为 1．05≤b'2／b：≤ 1．15。

在原型叶轮数据基础上 ，基 于方程 (8)即在关断点流量处，可根据 目标降低后关断点扬程值日 ，定量求出叶轮出口宽度值 b 。在此基础上，方程 (9)与 (10)用于判断在额定工况 与大流量工况下 ，该叶轮 出口宽度 b 所对应 的叶轮扬程是否在该泵设计允许范围内，以确保降低关断点扬程的同时，保证额定工况和大流量工况下泵的可靠性和稳定性。

4 结论(1)针对600 MW超临界锅炉给水泵关断点扬程过高问题，提出4种增加叶轮出口宽度的设计方法：平行移动前盖板 ；平行移动后盖板；移动前盖板 出口；移动后盖板出口。

(2)采用移动前盖板 出口的方法降低关断点扬程的效果最佳，其水力性能参数也优于其余3种方法 ，运行流量为 1 250 m ／h时，相 比于平行移动前盖板方法效率增加 1．9％。

+ “+ ”+ ”+ ”+ ”十 一 +tt 机床工具产+ i一个重要因素。

；力在这种变化中(3)叶轮出口宽度变化比与扬程变化 比在一定范围内满足二次多项式回归关系，在此基础上，拟合二次多项式方程。可根据目标降低后关断点扬程值日 ，定量求出叶轮出口宽度值b 。

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自动化技术将成机床制造业转型关键品自动化程度的高低，对机床的速度、精度等性能有着至关重要的影响，也成为了区分机床档次的据了解认为，先进的自动化技术与产品，无疑将成为机床制造业转型所寻求的重要方向，其发展潜必将得到凸显。

在机床产品，尤其是高端机床产品中，自动化技术与产品几乎作用于从控制机构、执行机构到测量与反馈机构的各个部分，而 目前这些应用于机床及机床生产线的各种 自动化产品，几乎都在发生着推陈出新的变革。作为中高端机床的控制中心，数控系统包含了运动控制、智能技术、自诊断等多方面的技术 ，多轴多系统的数控装置已纷纷被研发出来并投入应用；伺服系统的控制方式，也逐渐由常规信号型向总线型过渡；伺服驱动器和电机也同样向数字化、交流化和智能化的方向不断发展。

在这方面，很多前沿的自动化技术趋势也纷纷展现出来。例如直线电机、力矩电机的应用就是一个很好的例子。马扎克、森精机大部分规格的龙门式导轨已经不再采用滚动导轨，而改用直线电机，THK的直线电机在 3 000N负荷下 ，已经能达到 720 m／rain的速度 ，这不能不说是一个突破。而力矩电机以前只能用在小规格机床上，现在已经可以应用于越来越大规格的机床。以上这些技术的成熟，也在不断地促进着机床性能的提升。

(内容来源：中国机床网)