電站鍋爐給水泵性能的數(shù)值模擬

牛應(yīng)才 劉林城

【摘 要】 闡述電站鍋爐給水泵的基本理論，建立給水泵的二維模型，采用RNG k-ε湍流模型，應(yīng)用大型商用CFD軟件FLUENT對(duì)葉輪內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到給水泵內(nèi)部的流動(dòng)性能，例如動(dòng)壓分布、速度分布以及湍流強(qiáng)度等，結(jié)果表明：蝸殼內(nèi)部分區(qū)域湍流強(qiáng)度較大，相應(yīng)區(qū)域容易發(fā)生汽蝕，這是影響水泵壽命的主要原因。所得結(jié)論可為鍋爐給水泵的日常維護(hù)與設(shè)計(jì)優(yōu)化等工作，提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 鍋爐給水泵 二維模型 湍流 模擬

【Abstract】 Describes the basic power plant boiler feed pump theory， to a two-dimensional model of the pump， using RNG k-ε turbulence model， large-scale commercial application of CFD software FLUENT impeller flow field within the numerical simulation， the flow properties of the internal feed pump， such as dynamic pressure distribution， velocity and turbulence intensity distributions， the results show： a large part of the region within the volute turbulence intensity， the corresponding region prone to cavitation， which is the main impact of the pump life. Its analysis and conclusions can be to overhaul the pump design optimization work to provide references.

【Key words】 Boiler feed pump； two-dimensional model； turbulence； simulation

1 引言

給水泵是電站的主要輔助設(shè)備之一，同時(shí)也是耗電最多的輔機(jī)，隨著近些年電站機(jī)組的擴(kuò)大，這個(gè)特征更加顯著化，如果設(shè)計(jì)與維護(hù)不當(dāng)，將會(huì)帶來(lái)較大的能量耗費(fèi)，對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行帶來(lái)影響。所以，在新時(shí)期的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)背景下，對(duì)電站鍋爐給水泵進(jìn)行內(nèi)部流動(dòng)性能研究，顯得尤為重要，并且要按照實(shí)際狀況，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以加強(qiáng)日常維護(hù)工作，也是當(dāng)前的重要工作[1]。

近年來(lái)，已有多位相關(guān)學(xué)者對(duì)水泵做過(guò)一系列的研究，朱榮生、付強(qiáng)[2]等通過(guò)兩相流的混合模型，對(duì)水泵葉輪內(nèi)的汽蝕流場(chǎng)做了數(shù)值分析；李偉、施衛(wèi)東[3]等采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX對(duì)冷卻水泵的湍流流場(chǎng)進(jìn)行了模擬；何增光、楊桂利[4]等探討了提高電站鍋爐給水泵效率的策略，為改善電站機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行提供借鑒意義。由于試驗(yàn)條件有限等不利因素的限制，水泵內(nèi)部流動(dòng)特性不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，本文運(yùn)用FLUENT軟件，基于RNG k-ε湍流方程，結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，在水泵轉(zhuǎn)速為1280rpm的工況下，對(duì)給水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，為電站鍋爐給水泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)及日常維護(hù)工作提供相應(yīng)的參考依據(jù)[5]。

2 模型的建立

2.1 物理模型

按照給水泵的實(shí)際研究結(jié)構(gòu)和尺寸，利用AutoCAD軟件建立物理模型，使其與實(shí)物的尺寸相符，所要研究的計(jì)算區(qū)域及相應(yīng)的尺寸如圖1和表1所示：

2.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件的設(shè)定

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT6.3研究給水泵葉輪內(nèi)的流場(chǎng)，利用gambit 軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，得到的網(wǎng)格數(shù)目約為1.5萬(wàn)，增加兩次網(wǎng)格的數(shù)目，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的檢驗(yàn)，得出相對(duì)誤差是0.3%，可以確保最終計(jì)算結(jié)果的精確性。湍流計(jì)算采用RNG k-ε模型，控制方程的離散選擇有限體積法，二階迎風(fēng)格式。

RNG k-ε模型，最初是由Yakhot和Orzag提出來(lái)的，借助于大尺度的運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)，來(lái)表示出小尺度的影響，使相應(yīng)小尺度運(yùn)動(dòng)有序地從控制方程中去除，得出的方程和方程，與標(biāo)準(zhǔn)模型十分相似：

（1）

（2）

Gk是由于層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（1）介紹了其計(jì)算方法；Gb是由于浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（2）介紹了其計(jì)算方法；YM是在可壓縮湍流中，由于過(guò)渡的擴(kuò)散而產(chǎn)生的波動(dòng)；參數(shù)C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε是用戶(hù)定義的。

與標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)比分析，可以看到，RNG模型的顯著變化是：

（1）修正湍流粘度后，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)和旋流流動(dòng)狀況；

（2）在方程中增加了一項(xiàng)，這樣便反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率Eff，由此以來(lái)，RNG模型中產(chǎn)生項(xiàng)不但和流動(dòng)狀況有關(guān)，而且在相同的問(wèn)題中，也仍然是空間坐標(biāo)的函數(shù)。從而，RNG模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線(xiàn)彎曲程度較大的流動(dòng)[6]。

2.2.2 邊界條件

在gambit軟件中設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，給水泵內(nèi)部的流動(dòng)介質(zhì)設(shè)為水，將給水泵葉輪的進(jìn)口條件設(shè)置為速度入口，蝸殼的出口條件設(shè)置為自由出口，其他邊界條件均設(shè)置為固體壁面，葉輪的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1280rpm。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓力場(chǎng)的分析

圖2為給水泵內(nèi)部壓力場(chǎng)的云圖與等值線(xiàn)圖。

給水泵的葉輪是高速旋轉(zhuǎn)的部件，在給水泵的隔舌區(qū)域的壓力較大，是因?yàn)樵搮^(qū)域的葉片與蝸殼之間的距離較小，根據(jù)圖2的壓力場(chǎng)可以看出，在葉輪內(nèi)，壓力的變化趨勢(shì)是先降低，最低負(fù)壓值后，又緩慢上升。由于葉片進(jìn)口角帶來(lái)的影響，壓力的最小值，處于葉片進(jìn)口區(qū)域，該區(qū)域正是容易出現(xiàn)汽蝕的區(qū)域。在壓力的作用下，液體的流動(dòng)趨于劇烈，進(jìn)而容易導(dǎo)致對(duì)葉片表面造成破壞。

3.2 速度場(chǎng)分析

速度場(chǎng)的模擬計(jì)算結(jié)果，其云圖與等值線(xiàn)圖，見(jiàn)圖3所示。

給水泵揚(yáng)程是動(dòng)壓頭與靜壓頭之和，既流體獲得的能量，用來(lái)增加其動(dòng)能及壓力勢(shì)能。因此在給水泵的設(shè)計(jì)工作中，往往以獲得較高的靜壓頭為原則。從圖3的速度場(chǎng)分析結(jié)果中可以看到，葉輪直徑與流體的流速呈正比例關(guān)系，流體進(jìn)入蝸殼后，動(dòng)能逐步轉(zhuǎn)化為壓力勢(shì)能，速度隨之逐步減小，葉輪出口處產(chǎn)生渦流，這是因?yàn)樵诔隹谔幜黧w的速度較大，而水泵出口的內(nèi)側(cè)速度相對(duì)較低，由速度差引起的渦流現(xiàn)象[7，8]。

3.3 湍流強(qiáng)度分析

湍流強(qiáng)度的云圖與等值線(xiàn)圖，見(jiàn)圖4所示。

湍流強(qiáng)度，表示流體脈動(dòng)的劇烈程度，其數(shù)值的大小與空間具體分布，表示脈動(dòng)擴(kuò)散的程度與相應(yīng)的發(fā)生范圍。圖4為給水泵內(nèi)部的湍流強(qiáng)度分布圖，可以看出，湍流強(qiáng)度比較小的區(qū)域主要集中在蝸殼附近和給水泵葉輪出口處，這證明蝸殼附近與葉輪出口處的湍流脈動(dòng)不劇烈，流動(dòng)相對(duì)較穩(wěn)定，在靠近給水泵隔舌處的湍流強(qiáng)度比較大，流動(dòng)比較劇烈，其水力損失十分嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)電站鍋爐給水泵的實(shí)際運(yùn)行工況及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸，建立了物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用大型商用CFD仿真處理軟件FLUENT，對(duì)給水泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，有效解決了試驗(yàn)條件制約，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，無(wú)法及時(shí)深入分析的問(wèn)題，并對(duì)給水泵的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及湍流強(qiáng)度分布狀況進(jìn)行了分析，得出下列結(jié)論：

（1）電站鍋爐給水泵的葉輪損害，主要是由湍流強(qiáng)度過(guò)大及汽蝕導(dǎo)致的，給水泵的內(nèi)部流場(chǎng)性能數(shù)值模擬，為研究葉輪的汽蝕損害，給予了相對(duì)來(lái)說(shuō)既快速又高效準(zhǔn)確的計(jì)算方法。

（2）通過(guò)分析鍋爐給水泵葉輪內(nèi)部的湍流強(qiáng)度分布情況，可以清晰地觀(guān)察到葉輪內(nèi)部容易發(fā)生汽蝕的部位，以及隨著葉輪入口壓力減小，汽蝕帶來(lái)的破壞程度。因此，可以通過(guò)改變?nèi)~輪的外形尺寸以及葉片型線(xiàn)等方式，對(duì)鍋爐給水泵的汽蝕特征做出優(yōu)化，并在日常維護(hù)工作中，給予足夠的重視。

參考文獻(xiàn)

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