摘要::为提高热力发电厂低压加热器疏水泵的汽蚀性能,将CFD(计算流体动力学)技术与传统抗汽蚀方法相结合,利用商业软件FLUENT对具有不同布置形式的四种叶轮模型内三维湍流场进行数值计算。根据计算所得流场分布,通过比较找出具有良好汽蚀性能的设计方案。试验数据表明,泵的汽蚀性能得到改善。
关键词:疏水泵;CFD;汽蚀性能;优化设计
1 前言
疏水泵在电厂给水回热系统中应用广泛,由于工作条件恶劣,要求有良好的汽蚀性能。近年来,随着电力事业的快速发展,大容量高参数机组得到普遍应用,对疏水泵提出了更高的要求。本文根据某电厂运行的实际问题,依据传统汽蚀理论,在叶轮设计中应用长短叶片技术与近年来迅速发展的CFD技术相结合,通过对四种不同叶片布置形式叶轮内部流场计算,达到改善汽蚀性能优化设计的目的,为高抗汽蚀性能疏水泵设计提供一种新思路。
2 改善汽蚀性能的设计方案
2.1 长短叶片设计
离心泵叶轮进口的结构参数对离心泵的汽蚀性能有着决定性影响,特别是叶轮进口直径和叶片的数目、形状、进口边的尺寸及布置位置参数选择由为重要。通常宽敞的叶轮进口流道对离心泵的汽蚀性能是有利的,据这一思想,叶轮采用长短叶片布置形式,将含有偶数叶片数的离心泵叶轮设计为长短叶片间隔的方式,通过调整叶片进口处几何形状,增大了叶轮喉部的过流面积,从而降低叶轮喉部的液体相对速度,使叶片进口的压降系数减小,起到提高汽蚀性能的作用。
2.2 短叶片偏置
将短叶片进口边适当向长叶片背面偏移,以此来改善叶轮及泵体内的水力性能。短叶片偏置后,在离心叶轮内,由于逆向压力梯度的作用,使壁面边界层从进口到出口不断增厚,在离心力和哥氏力的作用下产生二次流。短叶片向长叶片负压面偏置能有效的阻止二次流的产生和发展,同时由于长短叶片组成的流道变短,扩散现象减小,不易产生二次流和形成尾流区。
3 计算模型
传统疏水泵通常采用圆柱叶片的设计形式,近年来的研究表明,空间扭曲叶片在改善汽蚀性能方面效果更为有效,在叶轮设计中应用日益广泛。为使计算具有代表性,本文采用的计算模型也采用空间扭曲叶片。三个长短叶片计算模型和一个等长叶片计算模型。四种计算模型计算参数均为:转速n=2900r/min,流量Q=28m3/h,扬程H=90m,比转速ns=34.2,叶片数Z=6。短叶片几何参数见表1,其中D2为叶轮直径。四种模型造型如图1所示。
根据以往研究结果,当短叶片进口直径过大时,会导致效率和扬程急剧下降,因此本文短叶片计算只在影响效率和扬程变化很小的范围内的四种模型。
4 计算过程及结果分析
由于疏水泵的叶片包角大、扭曲严重,几何形状复杂,所以网格划分时采用适用性强,对具有复杂边界模型特别有效的非结构化混合网格。在Pro/ENGINEER下生成叶轮流道三维实体模型,导入GAMBIT2.0下进行网格划分,壁面采用三角形网格,计算区域内采用四面体网格。
采用商业CFD软件FLUENT6.1进行计算。假设叶轮内部流动为稳态、不可压流动。考虑Boussrnesq涡粘性假设,在湍流充分发展的湍流核心区,采用适应强旋转流和带弯曲壁面流的RNG κ-ε湍流模型。在流动情况变化很大近壁区域,特别是粘性底层,湍流应力几乎不起作用。采用基于半经验公式的壁面函数法,在壁面区不进行求解,而是将壁面上的物理量与湍流核心区的求解变量直接联系起来,得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。
稳定状态,叶轮以恒定的角速度旋转,建立与叶轮同步旋转且与轴线重合的旋转直角坐标系(x,y,z),将直角坐标系(x,y,z)固定在叶轮上,并绕z轴以恒定角速度旋转。考虑各物理量在相邻节点间分布曲线的曲率影响,采用压强连接的隐式修正SIMPLEC算法,应用二阶迎风差分格式分离对流项。
四种模型计算结果见表2。每种在长叶片背面入口附近一小块区域最低静压均为负值,是通常发生汽蚀的区域.通过对比发现,模型4的最低静压要高于其他三个模型,说明其叶轮内部流动对提高汽蚀性能更为有利,能够有效的改善低比速离心泵汽蚀性能。同时发现等长叶片(模型1)在叶片进口的静压负压区域较大,这与入口处长叶片导致流速增大有关,和实际是相符合的。
4 试验分析
根据CFD分析结果,可以看出模型4的静压分布较为合理,具有更加优秀的抗汽蚀性能更。制造长短叶片形式低比速离心泵一台,进行各项性能试验。图2为长短叶片汽蚀性能试验曲线,从试验结果可以看出,长短叶片的设计具有较好的汽蚀性能,试验实测汽蚀余量 0.54m,与常规长叶片方案相比,将叶轮设计长短叶片间隔形式后,由于叶轮喉部的叶片相对疏散,过流面积相对较大,液流在喉部的相对速度WK变小,即泵的汽蚀余量减小,使汽蚀性能得到改善。
由长短叶片设计的低比速疏水泵试验性能曲线(图3)可以看到,长短叶片的设计并没有使泵在大流量点的量、扬程和效率发生大的改变,即流量-扬程曲线、流量-轴功率曲线、流量-效率曲线在大流量点没有发生陡降,能够达到安全稳定运行的目的。
5 结论
本次应用CFD技术设计的长短叶片形式叶轮疏水泵某电厂低加回热系统中已应用近两年,汽蚀性能良好,表明在疏水泵叶轮设计时,通过调整短叶片进口形状及位置,结合CFD技术对不同叶片形式的叶轮分别进行三维湍流数值模拟,能够较好地了解其叶轮内部流场分布,获得绕叶片水流的运动状态。弥补了试验方法在抗汽蚀性能设计中设计周期长和费用高的不足,对提高疏水泵的汽蚀性能有一定的作用。
参考文献
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作者简介:付强(1975-),男,工程师,主要从事泵新产品设计开发。
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