蝸殼不同心度對核主泵瞬態(tài)水動力特性研究

蝸殼不同心度對核主泵瞬態(tài)水動力特性研究

王鵬，袁壽其，王秀禮, 周幫倫，盧加興

(江蘇大學國家水泵工程技術研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要：為研究核主泵在不同工況下運行的瞬態(tài)特性，基于RNG k-ε模型采用CFX三維非定常數(shù)值模擬方法分析其在4種不同同心度下壓力脈動變化規(guī)律。結果表明，改變偏心距并未改變?nèi)~輪主頻，隨偏心距增加葉輪內(nèi)壓力脈動幅值先減小后增大。各偏心距在不同工況下壓力呈相似規(guī)律變化，且波動次數(shù)等于導葉數(shù)目，即葉輪內(nèi)流動狀態(tài)受導葉影響較大。小流量工況下脈動幅值隨偏心距增加波峰出現(xiàn)位置逐漸向下一時刻推移，且不同偏心距下壓力脈動幅值差別較大；設計工況下葉輪流道內(nèi)壓力脈動幅值波動明顯小于小流量工況，出口壓力脈動幅值遠大于進口。大流量工況時葉輪內(nèi)各監(jiān)測點壓力脈動幅值在各偏心距下從葉輪進口到出口均呈不穩(wěn)定波動，波動幅值遠大于設計工況。偏心距為10～15 mm時核主泵運行壓力脈動最小。

關鍵詞：核主泵；壓力脈動；偏心距；數(shù)值模擬

中圖分類號:Th111文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61403212);天津市應用基礎與前沿技術研究計劃資助項目(14JCQNJC04600)

收稿日期：2014-08-18修改稿收到日期：2014-10-11

Volute eccentricity effect on transient dynamic characteristics of nuclear main pump

WANGPeng,YUANShou-qi,WANGXiu-li,ZHOUBang-lun,LUJia-xing(National Research Center of Pumps, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:In order to study the transient dynamic characteristics of a nuclear main pump under different conditions,the pressure fluctuation under four different volute eccentricities were analyzed based on the RNG k-ε model by using CFX three-dimensional unsteady numerical simulation methods. The results show that the change of eccentricity does not alter the dominant frequency of impeller, however, with the increasing of eccentricity, the pressure amplitude inside the impeller decreases first and then increases. The pressure has a similar changing trend for different eccentricities under different working conditions and the wave frequency is just equal to the number of guide vanes which indicates that the flow state inside the impeller is greatly influencd by guide vanes. Under small flow conditions, with the increase of eccentricity the peak of pressure fluctuation amplitude gradually delays to appear and the amplitude difference of the pressure fluctuation becomes larger under different eccentricities. Under the design working conditions, the fluctuation in the impeller flow passage is less than that under small flow conditions and the pressure amplitude at outlet is greater than at inlet. Under large flow rates, at monitor points, the pressure amplitudes within the impeller under different eccentricities from inlet to outlet are unstable, and the fluctuation amplitudes are greater than under the design conditions.The analysis results show that the pressure fluctuation of nuclear main pump under various operating conditions reaches its minimal when the eccentricity is within 10～15 mm.

Key words:nuclear main pump; pressure fluctuation; eccentricity; numerical simulation

反應堆冷卻劑主循環(huán)泵簡稱核主泵，作為核電站一回路系統(tǒng)中唯一旋轉(zhuǎn)設備，長期穩(wěn)定運行對整個核電站安全作用至關重要。壓力脈動為引起核主泵機組振動噪聲及不穩(wěn)定流動的重要因素之一，也是判斷核主泵水力設計好壞的依據(jù)之一。泵內(nèi)部流場瞬態(tài)特性研究可采用試驗及數(shù)值模擬方法。王福軍等[1-2]對雙吸離心泵吸水室及壓水室內(nèi)壓力脈動特性進行研究表明，雙吸離心泵中葉輪與隔舌區(qū)動靜干涉為引起壓力脈動的主要因素。劉厚林等[3]提出葉片出口寬度對離心泵瞬態(tài)不穩(wěn)定流動特性有一定影響，模型泵噪聲信號隨葉片出口寬度增加軸頻峰值變化規(guī)律復雜。Hodkiewicz等[4]試驗發(fā)現(xiàn)雙吸離心泵產(chǎn)生瞬態(tài)不穩(wěn)定流動的主因為吸水室內(nèi)存在不同尺度漩渦。González等[5]研究表明，在偏向大流量工況下由于泵內(nèi)部不穩(wěn)定流動致使吸水室內(nèi)流場速度分布不均進而引起葉輪進口不穩(wěn)定流動。袁壽其等[6-7]通過對不同類型的泵數(shù)值模擬表明，偏工況下運行也會造成瞬態(tài)不穩(wěn)定流動。為探究汽蝕工況下不穩(wěn)定流動，王秀禮等[8]分析由無汽蝕到嚴重汽蝕時離心泵內(nèi)部瞬態(tài)流動。文獻[9]則采用階梯隔舌方法探究離心泵動靜干涉作用。文獻[10]采用復合葉輪方法研究核主泵內(nèi)部壓力脈動特性。王春林等[11]通過研究核主泵非定常流場中瞬態(tài)特性，獲得核主泵內(nèi)部壓力脈動變化規(guī)律。

至今，對怎樣減小核主泵瞬態(tài)不穩(wěn)定流動的研究仍不深入，相關文獻亦較少見。因不穩(wěn)定流動主要源自轉(zhuǎn)子、定子間動靜干涉，為此本文在保持泵體、葉輪、導葉等幾何參數(shù)不變情況下，利用偏移泵體重心方法研究重心偏移后導葉與蝸殼相對位置變化對葉輪內(nèi)壓力脈動特征與流量間關系及壓力脈動分布規(guī)律，探究核主泵瞬態(tài)水動力特性。

1研究對象及偏移方法

1.1研究對象及計算模型

以自主研發(fā)的AP1000模型泵為研究對象，其主要性能參為：流量Q=17 886 m3/h、揚程H=111.3 m、轉(zhuǎn)速1 450 r/min、比轉(zhuǎn)速344，葉輪結構形式為混流式。為滿足水力性能好、強度高、易加工及探傷要求，蝸殼設計成環(huán)形。據(jù)要求葉片為5葉，導葉數(shù)11。采用PRO/E軟件生成三維計算區(qū)域模型，整個計算區(qū)域由進口段、葉輪、導葉、蝸殼及出水段組成，見圖1。

圖1 三維造型及計算區(qū)域Fig.13DmodelsandComputationaldomain圖2 偏心示意圖Fig.2Thedisplacementsschematicdiagram

1.2重心偏移方法

由圖1三維模型知，出水段存在使整個泵體為非對稱結構，進而使核主泵內(nèi)部出現(xiàn)非定常流動現(xiàn)象，如失速、汽蝕、回流等。為使泵體對稱，在保證葉輪及導葉中心軸線不變情況下將蝸殼及出水段重心向出水段方向分別偏移5 mm、10 mm、15 mm及20 mm。偏移后導葉與蝸殼隔舌位置由偏移前d’變?yōu)閐’’，偏移示意圖見圖2。

2數(shù)值模擬

2.1網(wǎng)格劃分及無關性驗證

采用CFX前處理網(wǎng)格劃分軟件ICEM-CFD劃分網(wǎng)格，整個計算區(qū)域均用六面體結構網(wǎng)格，計算區(qū)域包括進口水段、葉輪、蝸殼、導葉及出水段。計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3　計算區(qū)域及網(wǎng)格 Fig.3 Calculation domain and structure mesh

網(wǎng)格無關性檢查可通過改變網(wǎng)格尺度實現(xiàn)，計算中逐步減少網(wǎng)格尺度。為確定網(wǎng)格數(shù)及疏密程度對計算的影響，選6種網(wǎng)格數(shù)進行模擬，并給出計算揚程與實際揚程比值H’(無量綱揚程)隨網(wǎng)格數(shù)變化規(guī)律，結果見圖4。由圖4可知，核主泵無量綱揚程隨網(wǎng)格數(shù)增加而增加，網(wǎng)格數(shù)增加到550萬以上時揚程變化趨小。而網(wǎng)格數(shù)428萬與550萬時揚程差范圍小于5%，為節(jié)約計算時間及資源，總網(wǎng)格數(shù)取428萬。

圖4　網(wǎng)格無關性分析 Fig.4 Mesh independence analysis

2.2數(shù)值計算方法及邊界條件

利用ANSYS CFX 14.5全隱式耦合多網(wǎng)格線性求解器,采用雷諾平均動量方程描述該泵內(nèi)不可壓縮流動。對葉輪機械進行穩(wěn)態(tài)計算時，由于標準的RNGk-ε湍流模型在計算含旋轉(zhuǎn)流動中能較好模擬高應變率，故用該模型及連續(xù)性方程使動量方程封閉。葉輪流道內(nèi)水體為旋轉(zhuǎn)體，導葉及蝸殼內(nèi)水體為非旋轉(zhuǎn)體，非定常計算的交界面設為TransientRotor-Stator模式,該交界面對兩部分水體間動、靜干涉有重要作用。為獲得最經(jīng)濟的計算時間步長，非定常計算時間步長為葉輪旋轉(zhuǎn)周期的1/120，即每個時間步長內(nèi)葉輪旋轉(zhuǎn)3°。據(jù)核主泵參數(shù)，時間步長Δt=3.448 3× 10-4s。

計算域進口采用壓力進口條件，出口為給定出口質(zhì)量流量，通過出口邊界條件控制模型的質(zhì)量流量。速度項、湍動能及湍流粘性系數(shù)均采用二階迎風格式，近壁區(qū)用標準壁面函數(shù)修正湍流模型，計算收斂精度為10-5。

2.3監(jiān)測點選取

為監(jiān)測偏心條件下導葉與蝸殼相對位置改變對核主泵葉輪內(nèi)部壓力隨流量的變化規(guī)律，在葉輪流道內(nèi)從葉輪進口邊到出口邊依次選取監(jiān)測點IA、IB、IC監(jiān)測不同流量、不同導葉與蝸殼相對位置葉輪流道內(nèi)流動狀態(tài)，見圖5。

圖5　葉輪內(nèi)各監(jiān)測點示意圖 Fig.5 Scheme of monitors located in the impeller

3計算結果與分析

3.1壓力脈動時域分析

設計工況下瞬態(tài)壓力變化時域圖見圖6，以3°為采集點對葉輪旋轉(zhuǎn)一周作時域圖。圖6(a)～(d)分別為0.6Qd～1.2Qd工況不同偏心距時葉輪內(nèi)各監(jiān)測點時域變化，由圖6看出，不同工況下壓力脈動時域特性均呈周期性變化。在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，各監(jiān)測點均不同程度波動11次，波動次數(shù)恰等于導葉數(shù)目，即葉輪內(nèi)流動狀態(tài)受導葉影響很大。從進口IA到出口IC各監(jiān)測點壓力變化逐漸增加，進口處偏心距5 mm與15 mm時壓差最大，20 mm次之，10 mm最小；一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，第一象限各監(jiān)測點壓力波動較小。處于葉輪中間流道中間IB呈相似規(guī)律，但隨偏心距增加波峰出現(xiàn)位置逐漸向下一時刻推移。壓力在葉輪出口IA處波動最大，此時偏心距為20 mm波峰已推移到偏心距10 mm及15 mm波谷處。而偏心距為15 mm時壓力除在初始1/12及1/4周期處出現(xiàn)不穩(wěn)定外其余均呈穩(wěn)定變化。對比4種偏心距在葉輪出口處壓力波動知，偏心距15 mm時波峰與波谷波幅值最小、最平穩(wěn)。

分析因未偏心前從葉輪內(nèi)流出的介質(zhì)不能平順與泵體內(nèi)介質(zhì)相匯合，而與泵體內(nèi)介質(zhì)相撞，從而使流出葉輪介質(zhì)流速下降與泵體內(nèi)流速相同，部分動能通過撞擊傳給泵體內(nèi)介質(zhì)使其壓力增高。隨偏心距進一步增大，使核主泵泵體內(nèi)介質(zhì)流速、流出葉輪與導葉流速方向、大小基本一致，從葉輪流出的介質(zhì)能平順通過導葉流入泵體，使葉輪周圍介質(zhì)速度、壓力分布較均勻。偏心距增大到20 mm時由于重心過度偏移，使從葉輪及導葉流出的流體與泵體存在大量撞擊，改變泵體內(nèi)流體速度從而出現(xiàn)不穩(wěn)定流動，即波峰及波動幅值呈規(guī)律性變化。

圖6　不同工況、不同偏心距壓力脈動頻域圖 Fig.6 Pressure fluctuations of different eccentricities under different conditions

3.2壓力脈動頻域分析

為分析不同工況各偏心距下核主泵瞬態(tài)水動力特性，采用快速傅里葉變換(FFT)對各監(jiān)測點壓力信號進行頻譜分析。

圖7(a)為0.6Qd工況時各偏心距在葉輪進口IA、葉輪中間(IB)及出口處(IC)的頻域圖。由于設計工況葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，故轉(zhuǎn)頻為24.16 Hz，葉頻為120.8 Hz。不同偏心距脈動頻率均以葉輪轉(zhuǎn)頻為主，隨偏心距增加脈動幅值先減小后增大。偏心距為5 mm、20 mm時壓力脈動幅值較大，10 mm、15 mm時較前者下降19.5%、24.3%。之后幅值由大到小分別出現(xiàn)在2、4、6倍葉頻處，20 mm時甚至在8倍頻處出現(xiàn)脈動。壓力脈動幅值變化規(guī)律與進口趨勢相同，但每個監(jiān)測點最大幅值從葉輪進口到出口呈增大趨勢，較進口分別增加74.3%、82%。小流量工況下偏心距不同對葉輪內(nèi)壓力脈動影響也不同，因偏心20 mm后導葉與蝸殼隔舌相對位置發(fā)生變化(更靠近隔舌)，此時從葉輪內(nèi)流出的高速流體與出口錐管處類似隔舌處發(fā)生動靜干涉致壓力脈動幅值呈增長趨勢。圖7(b)為1.0Qd工況時各偏心距在葉輪流道內(nèi)3監(jiān)測點IA、IB、IC處頻域圖。由該圖可知，此時壓力脈動幅值較偏離工況時小，各偏心距間最大脈動幅值無明顯差異，除1倍轉(zhuǎn)頻壓力脈動變化較明顯外，2、4、6倍葉頻處也呈一定程度波動；偏心10 mm時在1倍轉(zhuǎn)頻處脈動幅值較小且在其余葉頻處未見明顯波動。葉輪出口處壓力脈動強于進口及流道中間點IB，各偏心距在出口處脈動幅值先減小后增大，偏心距為10 mm時最小。

圖7(c)為1.2Qd工況時各偏心距在葉輪流道內(nèi)3監(jiān)測點IA、IB、IC處頻域圖。由該圖看出，大流量工況下各監(jiān)測點最大壓力脈動幅值均無明顯變化，但在2、4、6倍葉頻處最大幅值均較設計、小流量工況時大，尤其2倍葉頻處最大幅值較設計工況分別大12.5%、8%、4.7%。偏心距為5 mm、20 mm時在8、10倍頻處均有一定程度波動。

圖7　不同工況、不同偏心距壓力脈動頻域圖 Fig.7 Pressure fluctuations of different eccentricities under different conditions

圖8　不同工況下不同偏心距壓力脈動頻域圖 Fig.8 Pressure fluctuations under different eccentricities conditions

圖8為各偏心距在各工況時葉輪流道內(nèi)3監(jiān)測點IA、IB、IC處頻域圖。由8(a)看出，偏心距為5 mm時設計工況下脈動幅值最小，偏離工況時脈動幅值較大。偏向小流量工況時尤其葉輪出口處最大脈動幅值較大，但僅2倍葉頻處出現(xiàn)脈動其余無波動。小流量時最大脈動幅值較設計工況大13.2%，1.2Qd大8.5%。偏心距從5 mm增加到20 mm時，各工況下最大壓力脈動幅值呈相同變化趨勢，但偏心距10 mm時最大脈動值卻較各偏心距小15%。由此可見，同等條件下偏心距10 mm時核主泵內(nèi)部壓力脈動幅值最小。

圖9為核主泵葉輪進口、中間截面及葉輪出口各偏心距在各工況下最大不穩(wěn)定壓力幅值比較。由圖9看出，0.6Qd時在葉輪進口處最大幅值先減小后增大，偏心距10 mm時幅值最小約200 kPa，最大幅值出現(xiàn)在偏心距20 mm時，約250 kPa。各偏心距下無論葉輪流道中間位置或出口處，小流量工況下脈動幅值始終最大。1.0Qd工況時，在整個葉輪流道內(nèi)各監(jiān)測點處脈動幅值隨偏心距增加先減小后增大，偏心距15 mm時最小。1.2Qd工況、偏心距10 mm及15 mm時葉輪出口處脈動幅值較其它偏心方案小，且在10 mm時達最小約7%。原因可能重心偏移過大后導葉出口處液流與蝸殼動靜干涉對葉輪內(nèi)部流場非定常壓力脈動摻混結果。由于葉輪進口處遠離導葉出口-動靜干涉點，進口處受動靜干涉程度較小，經(jīng)能量轉(zhuǎn)化后葉輪出口處動能較大，且受動靜干涉影響，故壓力脈動幅值變化較大。

圖9　不同工況、不同偏心距最大壓力脈動幅值對比 Fig.9 The pressure fluctuationsamplitude comparisonamong different eccentricities conditions

4實驗驗證

為驗證數(shù)值模擬的準確性，以清水介質(zhì)在開式試驗臺上對核主泵最優(yōu)偏心距10 mm時進行樣機性能試驗，試驗現(xiàn)場見圖10。

圖10　模型泵性能測試實驗臺 Fig.10 The test rig of model pump

圖11　泵性能預測與試驗對比 Fig.11 Comparison of the predicted and experimental performancecurves of pumps

圖11為模型泵揚程、效率計算值與試驗值比較。由該圖看出，雖小流量時計算揚程、效率誤差有明顯加大趨勢，但整個流量范圍內(nèi)誤差在可接受范圍，計算值與試驗值吻合較好，計算值略高于試驗值，設計工況揚程誤差不超2%，效率誤差不超5%。因此本文所用數(shù)值計算方法及三維模型可靠性較高，進行徑向力分析具有一定可信度。

5結論

(1)工況改變對各監(jiān)測點在不同同心度下壓力脈動影響大致相同，增加偏心距波峰出現(xiàn)位置逐漸向下個時刻推移；脈動幅值變化隨偏心距增加先減小后增大，偏心距為10～15 mm時各監(jiān)測點在低、高頻區(qū)最大脈動幅值波動范圍較其它偏心方案小。

(2)改變偏心距葉輪主頻并未改變，因偏心后導葉與蝸殼隔舌的動靜干涉作用，葉輪次主頻會受不同程度影響。偏心距10 mm時葉輪流道內(nèi)各監(jiān)測點瞬態(tài)壓力幅值較小。

(3)核主泵數(shù)值預測外特性曲線與試驗外特性曲線較吻合，說明本研究數(shù)值模擬結果及徑向力計算模型具有一定準確性。

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第一作者代煜男，博士，副教授，1981年4月生