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摘要：将一种高效设计方法有效的应用到高压锅炉给水泵设计中，改变锅炉给水泵的叶轮出口宽度，从而改变给水泵的技术参数，满足客户需求，提高高压锅炉的生产率；同时详细论述了锅炉给水泵热装叶轮强度计算方法。通过变型设计后泵额定流量点的效率有明显提高，达到高效节能的目的。本文就高压锅炉给水泵的变形设计展开分析与讨论。
关键词：高压锅炉；给水泵；变型设计
中图分类号：S611文献标识码： A
引言
在高压锅炉给水泵的设计，生产中，经常遇到：每个电厂所用的锅炉给水泵，型号各种各样，而参数更是各不相同；在设计锅炉给水泵时，如果按照锅炉给水泵的流体力学，先选定模型泵，然后按锅炉给水泵的相似理论进行设计，不仅需要设计很多的图纸，花费大量的设计时间，而且在生产时，需要制作大量的模具，浪费很多资金和时间，给生产造成极大的负担。这时，采用仅改动叶、导轮的出口宽度，叶、导轮直径或泵的级数的变型设计方法，就比较适宜了。
这种设计方法比按泵的相似理论设计，最大限度地减少了设计工作量，而即使叶，导轮改动，叶轮，导轮模具也不需重新制作，进，出水段，中段，水封体等铸件根本就不需作改动，更不需要重新做模具，生产周期和生产成本都将大幅降低，因此，生产中经常用到变型设计，而事实上， 80%以上的锅炉给水泵的设计都是通过这种方法完成的。
一、变形设计
变形设计一般解释为：在预先定出的工作方案和计划,绘出的图样的基础上改变原来的形态或对原来事物的扭曲。
变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求，Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(originaldesign)、适应设计（adaptivedesign）、變型设计（variantdesign)，并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。
二、锅炉给水泵型式的选择
目前国内外高压锅炉给水泵分为两种型式，一种是圆环节段式单壳体，另一种是圆筒式双层壳体。我国机组容量125MW以下都采用节段式单壳结构，而对125MW以上机组，特别是200MW、300MW、·60oMW、1000MW机组均采用圆筒式双壳结构型式，给水泵的出口压力在17MPa以上，给水温度在160℃以上，最高出口压力已达34MPa，给水温度已达210℃。
圆环节段式单壳给水泵的优点是造价较低:但有如下缺点:
(l)对温差、压差的变化敏感，对热冲击适应性差，易泄漏，易造成泵内动、静部件摩擦，易产生振动。
(2)在压力较高、级数较多时，紧固的穿杠螺栓很难保证运行中级间高温水不泄漏。
(3)检修时整台水泵需从进、出水管道上拆下。
圆筒式双壳体给水泵造价较高，但具有下列优点:
(l)在外圆筒体与内泵体(泵芯)之间充有从泵出口引来的高压高温水，使各级壳体温度、压力相差较小，可降低级间密封所需的紧力，同时水泵轴线周围的热流和应力均匀对称，在泵受到较剧烈的热冲击时，能保证泵转子的正确同心，从而可以提高泵运行可靠性，减少级间泄漏。
(2)圆筒式双壳泵的内泵体的节段之间，不需再用穿杠螺栓紧固(即使采用也是两级之间的轻载螺栓)而以高压端盖来预压紧内泵体。运行中靠高压水压紧密封，泵端轴承体和轴封装置通过前后端盖与外圆筒紧固相联，刚度大，不易变形。
(3)圆筒式给水泵在外圆筒与内泵体之间可设计成3个不同的压力级区，即出口压力级、吸人口压力级、中间压力级(引出可作为锅炉的减温水源)，利于密封，同时能满足热力系统的要求。
二、高压锅炉给水泵变型设计
（一）通过改变锅炉给水泵的叶轮直径改变泵的参数
若用户要求的给水泵的扬程和流量低于己有泵的扬程和流量，且低得不多，可以利用切割定律进行设计，此法是比较适合的。叶轮切割前后外径的方法。
锅炉给水泵的叶轮，比转数一般在60-120之间，根据生产经验，比较适合切割定律中的一般离心泵叶轮的切割。即转速相同时，切割前后流量、扬程之比等于切割前后叶轮直径一次方、二次方之比：
式中，Q为模型泵的流量；Q,为设计泵的流量；H为模型泵扬程；H,为设计泵扬程；D为模型泵叶轮出口宽度；D,为设计泵叶轮出口宽度
转速不同时，切割前后流量、扬程之比：
在生产中，切割叶轮外径一般只切割叶片，而保留前后盖板不变
若用户要求的给水泵的扬程和流量高于己有泵的扬程和流量，且高得不多，也可将切割定律反过来运用，即将己有泵的叶轮当作切割后的叶轮，要设计的泵当作没有切割的叶轮反算过去，这种设计方法法在生产中经‘常用到。叶轮直径增大，则与叶轮配合的导叶入口处尺寸也应加大，导叶加大后保持叶轮与导叶之间间隙不变。
在己有泵的基础上，加大叶轮直径，也不需重新做模具。导叶只需在车加工时将导叶进口车大即可，可完全用原导叶毛坯加工。
增加叶轮直径一般不能增加太多，因为叶轮直径增加太多，不仅蜡模制作困难，且可能因导叶冲角及叶轮出口角改变，导致效率下降，扬程增加也不再符合切割定律。根据我的生产经验，叶轮直径切割或增加时，一般不超过5%；当叶轮直径增加或减少5%，仍不能满足用户要求时，一般通过另一种变型设计的力一法—增加或减少叶轮级数来完成。
（二）通过增加或减少叶轮级数改变泵的性能参数
若用户要求的给水泵的扬程和流量与已有泵的扬程和流量相差较多，叶轮直径增加或减少5%，同时流道加宽，仍不能满足用户要求时，这时一般采用增加或减少泵的级数的方法设计。因要考虑泵轴的强度和刚度，增加泵的级数一般只考虑增加一级。
锅炉给水泵大多为多级节段式泵，改变泵的级数的设计比较方便。如泵的级数增加一级，则轴、拉紧螺栓、泵罩的长度相应加长，中段、导叶等与泵级数有关的零件数量增加一个，泵其余零件则不用改动。
锅炉给水泵若仅增加或减少级数，转速保持相同时，则泵的性能参数可认为流量不变，扬程的算法是除以模型泵级数，得到单级扬程，然后
乘上改后泵级数，即:
式中
i--模型泵的级数
i，--设计泵的级数
锅炉给水泵增加或减少级数，转速不同时，
多换算几点，画出要设计泵的性能曲线，因用户所要的泵流量不一定跟模型泵相同，而泵的性能曲线是连续的，画出要设计泵的性能曲线后，只要在用户所需流量下，泵的扬程能满足用户要求，且效率在高效区即可，不需要新泵额定工作点一定要与模型泵相对应。
如果给水泵的级数加一级，应重新校核一下泵轴强度及刚度，若强度及刚度不够，则不能用增加级数的方法设计新泵。
如果给水泵减少级数，则可以不止减一级，应重新计算平衡盘的平衡力是否足够；若不够时应重新设计平衡盘及平衡套。
结束语
综上所述，在锅炉给水泵的设计中，首先将设计参数与现有模型高效点的参数作比较。如果设计参数中扬程与模型泵扬程接近，则通过改变模型泵叶轮出口宽度使其高效点对应的流量等于设计流量；如果设计参数中流量与模型泵高效点对应的流量比较接近，则通过改变模型泵叶轮的直径大小，使其高效点对应的扬程等于设计泵的扬程，当采用改变叶轮直径的方法不能达到设计参数时，可以通过增加或减少叶轮个数来达到设计参数。实践证明，用该方法可以高效，低成本，可靠地设计出符合要求的给水泵。
参考文献：
[1]邬国秀,黎义斌.高压锅炉给水泵内部流动特征数值仿真[J].三峡大学学报(自然科学版),2009,04:69-71+79.
[2]黄崇林,黎景宏.高压锅炉给水泵突然停机的原因分析与处理[J].水泵技术,2010,06:31-35.
[3]赵伟国,黎义斌,韩宝华,付义东,张玉良.超临界高压锅炉给水泵首级叶轮性能的数值模拟研究[J].水泵技术,2007,05:13-15+43.
[4]何玉杰,李质情,石海峡,李强.高压锅炉给水泵流体动压机械密封的研究[J].水泵技术,2008,03:30-33.
关键词：高压锅炉；给水泵；变型设计
中图分类号：S611文献标识码： A
引言
在高压锅炉给水泵的设计，生产中，经常遇到：每个电厂所用的锅炉给水泵，型号各种各样，而参数更是各不相同；在设计锅炉给水泵时，如果按照锅炉给水泵的流体力学，先选定模型泵，然后按锅炉给水泵的相似理论进行设计，不仅需要设计很多的图纸，花费大量的设计时间，而且在生产时，需要制作大量的模具，浪费很多资金和时间，给生产造成极大的负担。这时，采用仅改动叶、导轮的出口宽度，叶、导轮直径或泵的级数的变型设计方法，就比较适宜了。
这种设计方法比按泵的相似理论设计，最大限度地减少了设计工作量，而即使叶，导轮改动，叶轮，导轮模具也不需重新制作，进，出水段，中段，水封体等铸件根本就不需作改动，更不需要重新做模具，生产周期和生产成本都将大幅降低，因此，生产中经常用到变型设计，而事实上， 80%以上的锅炉给水泵的设计都是通过这种方法完成的。
一、变形设计
变形设计一般解释为：在预先定出的工作方案和计划,绘出的图样的基础上改变原来的形态或对原来事物的扭曲。
变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，是指提取已存在的设计或设计计划、作特定的修改以产生一个和原设计相似的新产品。这种修改一般不破坏原设计的基本原理和基本结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，其目的是快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求，Pahl和Beitz最早将设计分为初次设计(originaldesign)、适应设计（adaptivedesign）、變型设计（variantdesign)，并指出在实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。
二、锅炉给水泵型式的选择
目前国内外高压锅炉给水泵分为两种型式，一种是圆环节段式单壳体，另一种是圆筒式双层壳体。我国机组容量125MW以下都采用节段式单壳结构，而对125MW以上机组，特别是200MW、300MW、·60oMW、1000MW机组均采用圆筒式双壳结构型式，给水泵的出口压力在17MPa以上，给水温度在160℃以上，最高出口压力已达34MPa，给水温度已达210℃。
圆环节段式单壳给水泵的优点是造价较低:但有如下缺点:
(l)对温差、压差的变化敏感，对热冲击适应性差，易泄漏，易造成泵内动、静部件摩擦，易产生振动。
(2)在压力较高、级数较多时，紧固的穿杠螺栓很难保证运行中级间高温水不泄漏。
(3)检修时整台水泵需从进、出水管道上拆下。
圆筒式双壳体给水泵造价较高，但具有下列优点:
(l)在外圆筒体与内泵体(泵芯)之间充有从泵出口引来的高压高温水，使各级壳体温度、压力相差较小，可降低级间密封所需的紧力，同时水泵轴线周围的热流和应力均匀对称，在泵受到较剧烈的热冲击时，能保证泵转子的正确同心，从而可以提高泵运行可靠性，减少级间泄漏。
(2)圆筒式双壳泵的内泵体的节段之间，不需再用穿杠螺栓紧固(即使采用也是两级之间的轻载螺栓)而以高压端盖来预压紧内泵体。运行中靠高压水压紧密封，泵端轴承体和轴封装置通过前后端盖与外圆筒紧固相联，刚度大，不易变形。
(3)圆筒式给水泵在外圆筒与内泵体之间可设计成3个不同的压力级区，即出口压力级、吸人口压力级、中间压力级(引出可作为锅炉的减温水源)，利于密封，同时能满足热力系统的要求。
二、高压锅炉给水泵变型设计
（一）通过改变锅炉给水泵的叶轮直径改变泵的参数
若用户要求的给水泵的扬程和流量低于己有泵的扬程和流量，且低得不多，可以利用切割定律进行设计，此法是比较适合的。叶轮切割前后外径的方法。
锅炉给水泵的叶轮，比转数一般在60-120之间，根据生产经验，比较适合切割定律中的一般离心泵叶轮的切割。即转速相同时，切割前后流量、扬程之比等于切割前后叶轮直径一次方、二次方之比：
式中，Q为模型泵的流量；Q,为设计泵的流量；H为模型泵扬程；H,为设计泵扬程；D为模型泵叶轮出口宽度；D,为设计泵叶轮出口宽度
转速不同时，切割前后流量、扬程之比：
在生产中，切割叶轮外径一般只切割叶片，而保留前后盖板不变
若用户要求的给水泵的扬程和流量高于己有泵的扬程和流量，且高得不多，也可将切割定律反过来运用，即将己有泵的叶轮当作切割后的叶轮，要设计的泵当作没有切割的叶轮反算过去，这种设计方法法在生产中经‘常用到。叶轮直径增大，则与叶轮配合的导叶入口处尺寸也应加大，导叶加大后保持叶轮与导叶之间间隙不变。
在己有泵的基础上，加大叶轮直径，也不需重新做模具。导叶只需在车加工时将导叶进口车大即可，可完全用原导叶毛坯加工。
增加叶轮直径一般不能增加太多，因为叶轮直径增加太多，不仅蜡模制作困难，且可能因导叶冲角及叶轮出口角改变，导致效率下降，扬程增加也不再符合切割定律。根据我的生产经验，叶轮直径切割或增加时，一般不超过5%；当叶轮直径增加或减少5%，仍不能满足用户要求时，一般通过另一种变型设计的力一法—增加或减少叶轮级数来完成。
（二）通过增加或减少叶轮级数改变泵的性能参数
若用户要求的给水泵的扬程和流量与已有泵的扬程和流量相差较多，叶轮直径增加或减少5%，同时流道加宽，仍不能满足用户要求时，这时一般采用增加或减少泵的级数的方法设计。因要考虑泵轴的强度和刚度，增加泵的级数一般只考虑增加一级。
锅炉给水泵大多为多级节段式泵，改变泵的级数的设计比较方便。如泵的级数增加一级，则轴、拉紧螺栓、泵罩的长度相应加长，中段、导叶等与泵级数有关的零件数量增加一个，泵其余零件则不用改动。
锅炉给水泵若仅增加或减少级数，转速保持相同时，则泵的性能参数可认为流量不变，扬程的算法是除以模型泵级数，得到单级扬程，然后
乘上改后泵级数，即:
式中
i--模型泵的级数
i，--设计泵的级数
锅炉给水泵增加或减少级数，转速不同时，
多换算几点，画出要设计泵的性能曲线，因用户所要的泵流量不一定跟模型泵相同，而泵的性能曲线是连续的，画出要设计泵的性能曲线后，只要在用户所需流量下，泵的扬程能满足用户要求，且效率在高效区即可，不需要新泵额定工作点一定要与模型泵相对应。
如果给水泵的级数加一级，应重新校核一下泵轴强度及刚度，若强度及刚度不够，则不能用增加级数的方法设计新泵。
如果给水泵减少级数，则可以不止减一级，应重新计算平衡盘的平衡力是否足够；若不够时应重新设计平衡盘及平衡套。
结束语
综上所述，在锅炉给水泵的设计中，首先将设计参数与现有模型高效点的参数作比较。如果设计参数中扬程与模型泵扬程接近，则通过改变模型泵叶轮出口宽度使其高效点对应的流量等于设计流量；如果设计参数中流量与模型泵高效点对应的流量比较接近，则通过改变模型泵叶轮的直径大小，使其高效点对应的扬程等于设计泵的扬程，当采用改变叶轮直径的方法不能达到设计参数时，可以通过增加或减少叶轮个数来达到设计参数。实践证明，用该方法可以高效，低成本，可靠地设计出符合要求的给水泵。
参考文献：
[1]邬国秀,黎义斌.高压锅炉给水泵内部流动特征数值仿真[J].三峡大学学报(自然科学版),2009,04:69-71+79.
[2]黄崇林,黎景宏.高压锅炉给水泵突然停机的原因分析与处理[J].水泵技术,2010,06:31-35.
[3]赵伟国,黎义斌,韩宝华,付义东,张玉良.超临界高压锅炉给水泵首级叶轮性能的数值模拟研究[J].水泵技术,2007,05:13-15+43.
[4]何玉杰,李质情,石海峡,李强.高压锅炉给水泵流体动压机械密封的研究[J].水泵技术,2008,03:30-33.