低比速疏水泵改善汽蝕性能的CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)

付強(qiáng) 陳娟 錢建勻 張曙光

（江蘇國泉泵業(yè)制造有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

1 前言

疏水泵在電廠給水回?zé)嵯到y(tǒng)中應(yīng)用廣泛，由于工作條件惡劣，要求有良好的汽蝕性能。近年來，隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展，大容量高參數(shù)機(jī)組得到普遍應(yīng)用，對(duì)疏水泵提出了更高的要求。本文根據(jù)某電廠運(yùn)行的實(shí)際問題，依據(jù)傳統(tǒng)汽蝕理論，在葉輪設(shè)計(jì)中應(yīng)用長短葉片技術(shù)與近年來迅速發(fā)展的CFD技術(shù)相結(jié)合，通過對(duì)四種不同葉片布置形式葉輪內(nèi)部流場計(jì)算，達(dá)到改善汽蝕性能優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，為高抗汽蝕性能疏水泵設(shè)計(jì)提供一種新思路。

2 改善汽蝕性能的設(shè)計(jì)方案

2.1 長短葉片設(shè)計(jì)

離心泵葉輪進(jìn)口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)離心泵的汽蝕性能有著決定性影響，特別是葉輪進(jìn)口直徑和葉片的數(shù)目、形狀、進(jìn)口邊的尺寸及布置位置參數(shù)選擇由為重要。通常寬敞的葉輪進(jìn)口流道對(duì)離心泵的汽蝕性能是有利的，據(jù)這一思想，葉輪采用長短葉片布置形式，將含有偶數(shù)葉片數(shù)的離心泵葉輪設(shè)計(jì)為長短葉片間隔的方式，通過調(diào)整葉片進(jìn)口處幾何形狀，增大了葉輪喉部的過流面積，從而降低葉輪喉部的液體相對(duì)速度，使葉片進(jìn)口的壓降系數(shù)減小，起到提高汽蝕性能的作用。

表1 四種模型短葉片幾何參數(shù)

2.2 短葉片偏置

圖1 四種模型的計(jì)算流道（左到右依次為模型1、2、3、4）

將短葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向長葉片背面偏移，以此來改善葉輪及泵體內(nèi)的水力性能。短葉片偏置后，在離心葉輪內(nèi)，由于逆向壓力梯度的作用，使壁面邊界層從進(jìn)口到出口不斷增厚，在離心力和哥氏力的作用下產(chǎn)生二次流。短葉片向長葉片負(fù)壓面偏置能有效的阻止二次流的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)由于長短葉片組成的流道變短，擴(kuò)散現(xiàn)象減小，不易產(chǎn)生二次流和形成尾流區(qū)。

3 計(jì)算模型

傳統(tǒng)疏水泵通常采用圓柱葉片的設(shè)計(jì)形式，近年來的研究表明，空間扭曲葉片在改善汽蝕性能方面效果更為有效，在葉輪設(shè)計(jì)中應(yīng)用日益廣泛。為使計(jì)算具有代表性，本文采用的計(jì)算模型也采用空間扭曲葉片。三個(gè)長短葉片計(jì)算模型和一個(gè)等長葉片計(jì)算模型。四種計(jì)算模型計(jì)算參數(shù)均為：轉(zhuǎn)速n=2900r/min，流量Q=28m3/h，揚(yáng)程 H=90m，比轉(zhuǎn)速 ns=34.2，葉片數(shù)Z=6。短葉片幾何參數(shù)見表1，其中D2為葉輪直徑。四種模型造型如圖1所示。

根據(jù)以往研究結(jié)果，當(dāng)短葉片進(jìn)口直徑過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致效率和揚(yáng)程急劇下降，因此本文短葉片計(jì)算只在影響效率和揚(yáng)程變化很小的范圍內(nèi)的四種模型。

4 計(jì)算過程及結(jié)果分析

由于疏水泵的葉片包角大、扭曲嚴(yán)重，幾何形狀復(fù)雜，所以網(wǎng)格劃分時(shí)采用適用性強(qiáng)，對(duì)具有復(fù)雜邊界模型特別有效的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。在Pro/ENGINEER下生成葉輪流道三維實(shí)體模型，導(dǎo)入GAMBIT2.0下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，壁面采用三角形網(wǎng)格，計(jì)算區(qū)域內(nèi)采用四面體網(wǎng)格。

圖2 汽蝕試驗(yàn)曲線

采用商業(yè)CFD軟件FLUENT6.1進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)葉輪內(nèi)部流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)、不可壓流動(dòng)。考慮Boussrnesq渦粘性假設(shè)，在湍流充分發(fā)展的湍流核心區(qū)，采用適應(yīng)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流和帶彎曲壁面流的RNGκ-ε湍流模型。在流動(dòng)情況變化很大近壁區(qū)域，特別是粘性底層，湍流應(yīng)力幾乎不起作用。采用基于半經(jīng)驗(yàn)公式的壁面函數(shù)法，在壁面區(qū)不進(jìn)行求解，而是將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)的求解變量直接聯(lián)系起來，得到與壁面相鄰控制體積的節(jié)點(diǎn)變量值。

穩(wěn)定狀態(tài)，葉輪以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，建立與葉輪同步旋轉(zhuǎn)且與軸線重合的旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系（x,y,z），將直角坐標(biāo)系（x,y,z）固定在葉輪上，并繞z軸以恒定角速度旋轉(zhuǎn)。考慮各物理量在相鄰節(jié)點(diǎn)間分布曲線的曲率影響，采用壓強(qiáng)連接的隱式修正SIMPLEC算法，應(yīng)用二階迎風(fēng)差分格式分離對(duì)流項(xiàng)。

四種模型計(jì)算結(jié)果見表2。每種在長葉片背面入口附近一小塊區(qū)域最低靜壓均為負(fù)值，是通常發(fā)生汽蝕的區(qū)域.通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型4的最低靜壓要高于其他三個(gè)模型，說明其葉輪內(nèi)部流動(dòng)對(duì)提高汽蝕性能更為有利，能夠有效的改善低比速離心泵汽蝕性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)等長葉片（模型1）在葉片進(jìn)口的靜壓負(fù)壓區(qū)域較大，這與入口處長葉片導(dǎo)致流速增大有關(guān)，和實(shí)際是相符合的。

表2 CFD計(jì)算結(jié)果葉片最低靜壓值(Mpa)

4 試驗(yàn)分析

根據(jù)CFD分析結(jié)果，可以看出模型4的靜壓分布較為合理，具有更加優(yōu)秀的抗汽蝕性能更。制造長短葉片形式低比速離心泵一臺(tái)，進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。圖2為長短葉片汽蝕性能試驗(yàn)曲線，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，長短葉片的設(shè)計(jì)具有較好的汽蝕性能，試驗(yàn)實(shí)測汽蝕余量 0.54m，與常規(guī)長葉片方案相比，將葉輪設(shè)計(jì)長短葉片間隔形式后，由于葉輪喉部的葉片相對(duì)疏散，過流面積相對(duì)較大，液流在喉部的相對(duì)速度WK變小，即泵的汽蝕余量減小，使汽蝕性能得到改善。

圖3 性能曲線

由長短葉片設(shè)計(jì)的低比速疏水泵試驗(yàn)性能曲線（圖3）可以看到，長短葉片的設(shè)計(jì)并沒有使泵在大流量點(diǎn)的量、揚(yáng)程和效率發(fā)生大的改變，即流量-揚(yáng)程曲線、流量-軸功率曲線、流量-效率曲線在大流量點(diǎn)沒有發(fā)生陡降，能夠達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

5 結(jié)論

本次應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)的長短葉片形式葉輪疏水泵某電廠低加回?zé)嵯到y(tǒng)中已應(yīng)用近兩年，汽蝕性能良好，表明在疏水泵葉輪設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)整短葉片進(jìn)口形狀及位置，結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)不同葉片形式的葉輪分別進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬，能夠較好地了解其葉輪內(nèi)部流場分布，獲得繞葉片水流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。彌補(bǔ)了試驗(yàn)方法在抗汽蝕性能設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)周期長和費(fèi)用高的不足，對(duì)提高疏水泵的汽蝕性能有一定的作用。

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