離心式上充泵空化特性分析

離心式上充泵空化特性分析

付強，袁壽其，蔣旭松，朱榮生，王秀禮，龍云

(江蘇大學(xué)流體機械工程技術(shù)研究中心，江蘇鎮(zhèn)江212013)

摘要：為研究核電站離心式上充泵的空化特性，專門研制了首級樣機。應(yīng)用PRO/E和ICEM分別對水力部件進行三維造型和網(wǎng)格劃分。將空化細(xì)分成空化初生，空化發(fā)展，臨界空化和斷裂空化四個階段。基于SST k-ω 湍流模型，采用ANSYS CFX進行了空化數(shù)值模擬。結(jié)果表明：伴隨著空化的發(fā)生，葉輪內(nèi)沿徑向位置的汽泡數(shù)量迅速增加，汽泡體積分?jǐn)?shù)也越來越大。空化發(fā)生到一定程度時，葉輪內(nèi)出現(xiàn)漩渦并且面積不斷增加?？栈跎鷷r的壓力脈動較為規(guī)律，葉輪與蝸殼動靜干涉起主要作用；隨后空化逐漸成為控制泵內(nèi)部壓力脈動規(guī)律的主要因素。最大流量工況點模擬值與試驗值的揚程誤差為2.1%，汽蝕余量誤差為3.5%。數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢相同，揭示了上充泵在不同空化狀態(tài)下的內(nèi)部流場變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：核電站；上充泵；空化；數(shù)值模擬；壓力脈動

中圖分類號:Th111文獻標(biāo)志碼：A

基金項目：天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃(12JCQNJC04700)，國家自然科學(xué)基金資助項目(50908156)

收稿日期：2014-04-03修改稿收到日期：2014-07-06

Cavitation characteristics analysis of a centrifugal charging pump

FUQiang,YUANShou-qi,JIANGXu-song,ZHURong-sheng,WANGXiu-li,LONGYun(Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology，Jiangsu University，Zhenjiang 212013, China)

Abstract:In order to study cavitation characteristics of a centrifugal charging pump in nuclear power plant，the first prototype was specially made. Software Pro/E and ICEM were respectively used to perform three-dimensional modeling and meshing for the hydraulic machinery. The cavitation was divided into four stages of cavitation inception，cavitation development，critical cavitation and fracture cavitation. Based on SST k-ω turbulence model, the cavitation numerical simulation was done with ANSYS CFX software. The results showed that with the occurrence of cavitation, the number of bubbles at the radial position in an impeller increases rapidly, and the bubble volume fraction also grows when cavitation occurs to a certain extent, vortex appears in the impeller and its area constantly increases; pressure pulsation is regular during cavitation inception, the dynamic and static interferences of the impeller and the volute play a main role; then cavitation gradually becomes the main factor to control pump pressure fluctuation rules; under the maximum flow rate condition, the head error between simulation results and test ones is 2.1% and NPSH error is 3.5%; the variation trends of numerical results and test ones are the same and they reveal varying laws of the internal flow field of the charging pump under different cavitation conditions.

Key words:nuclear power plant; charging pump; cavitation; numerical simulation; pressure pulsation

離心式上充泵是核電站一回路的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的重要組成部分，也是難度僅次于主泵的核安全Ⅱ級設(shè)備[1]。上充泵具有流量小、高揚程、高轉(zhuǎn)速、功率大的特點，要求具有較高的效率和較低的汽蝕余量，屬于低比轉(zhuǎn)速泵。

國內(nèi)外不少學(xué)者對上充泵進行了研究。Pearson等[2]簡單介紹了上充泵結(jié)構(gòu)；Jnes[3]簡要分析了上充泵主軸斷裂事故的原因；王延合等[4]介紹了300MW離心式上充泵參數(shù)、技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)特點和材料選用；袁壽其等[5]針對上充泵多工況運行要求提出了離心式上充泵多工況設(shè)計理論。

空化，又稱汽蝕，會導(dǎo)致泵性能下降，損壞過流部件并產(chǎn)生振動和噪聲。傳統(tǒng)方法是通過破壞性的試驗得到泵的空化外特性曲線，而對于泵內(nèi)部發(fā)生空化時的汽泡分布等細(xì)節(jié)信息很難獲得。

國內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)對泵汽蝕特性進行廣泛研究。Couiter Delgosha等[6]結(jié)合CFD技術(shù)和試驗對離心泵汽蝕進行了研究；施衛(wèi)東等[7]對軸流泵葉輪進行了模擬和試驗，得到了軸流泵葉輪內(nèi)部空化規(guī)律；孔繁余等[8]采用流熱耦合分析手段研究了低溫高速屏蔽泵的汽蝕性能；王松林等[9]研究了離心泵空化的瞬態(tài)流動特性和壓力脈動特性。

本文中對空化細(xì)分成四個階段，在蝸殼內(nèi)設(shè)置四個監(jiān)測點，對每個階段空化瞬態(tài)特性進行分析，最后進行實驗驗證，為上充泵的空化特性研究提供一定的參考。

1數(shù)值計算

1.1樣機參數(shù)和結(jié)構(gòu)

核電站用離心式上充泵為多級泵，其汽蝕發(fā)生在首級葉輪處。因此，有必要專門研究首級葉輪汽蝕性能。為降低成本，專門研制上充泵首級樣機。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該首級樣機主要由環(huán)形吸水室、離心葉輪和雙蝸殼等水力部件組成。首級葉輪葉片數(shù)為3，進口直徑為130 mm，葉輪出口寬度為15 mm。技術(shù)規(guī)范[1]明確要求上充泵首級葉輪在最大流量點160 m3/h處的汽蝕余量NPSHR≤7.8 m。

圖1　首級樣機結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of the first prototype

1.2三維建模和網(wǎng)格劃分

采用Pro/E對上充泵單級模型進行建模。選用ANSYS ICEM和四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對模型進行網(wǎng)格劃分，并對模型中局部區(qū)域進行加密。其中，環(huán)形吸入室網(wǎng)格數(shù)為397 396，葉輪的網(wǎng)格數(shù)為659 636，蝸殼網(wǎng)格數(shù)為530 217。網(wǎng)格劃分后進行了光順和網(wǎng)格無關(guān)性檢查，表明網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求。三維模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　三維模型和網(wǎng)格 Fig.2 The 3D model and grids

1.3計算設(shè)置

采用SSTk-ω湍流模型，該湍流模型具有k-ω湍流模型計算近壁區(qū)域黏性流動的可靠性和計算遠(yuǎn)場自由流動的精確性[8]。使用Rayleigh-Plesset方程[10]描述空泡生成和潰滅。通過調(diào)節(jié)進口總壓控制上充泵內(nèi)部空化的發(fā)生程度，給定出口質(zhì)量流量。液體的飽和蒸汽壓力為3 170 Pa，汽泡平均直徑設(shè)為2×10-6m，進口處水的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，汽泡的體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0。

圖3　監(jiān)測點 Fig.3 Monitoring points

非定常計算中，以定常計算的結(jié)果作為初始值。葉輪每轉(zhuǎn)3°作為一個時間步長，時間步長為1.111×10-4s，葉輪旋轉(zhuǎn)6個周期，總計算時間為0. 08 s，選最后一個周期分析。為了獲得汽蝕發(fā)生時蝸殼內(nèi)部壓力場的脈動規(guī)律，每隔90°取蝸殼與葉輪的交界面附近的監(jiān)測點為A、B、C、D 4 個點，所有的點均取在流道的中截面上，如圖3所示。

非定常分析中，瞬時壓力值統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成無量綱壓力系數(shù)Cp，其定義如下：

Cp= 2p/(ρu22)

(1)

式中u2為葉輪出口圓周速度，p為瞬時壓力，ρ為密度。

圖4　四種空化狀態(tài) Fig.4 Four kinds of cavitation state

由于空化兩相流機理的復(fù)雜性，目前學(xué)術(shù)界對于空化狀態(tài)的細(xì)分沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如圖4所示，本文將空化細(xì)分成四種狀態(tài)。從右往左第一個點為空化初生狀態(tài)；第二點為空化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，此時空化已經(jīng)發(fā)展到一定程度，但是泵的揚程和效率等外特性沒有發(fā)生明顯變化；第三個點是臨界空化狀態(tài)，臨界空化是指達到臨界汽蝕余量時的空化狀態(tài)，對應(yīng)的泵揚程下降了3%；第四個點是斷裂空化狀態(tài)，對應(yīng)泵揚程下降了15.3%。以上四個監(jiān)測點和四種空化狀態(tài)可以完整反應(yīng)不同空化狀態(tài)下泵內(nèi)部的流場特征。

2計算結(jié)果分析

2.1空泡演變規(guī)律

圖5是定常計算下不同空化狀態(tài)時葉輪流道內(nèi)前蓋板表面的汽泡體積分?jǐn)?shù)。在空化初生時，少量汽泡首先出現(xiàn)在葉輪進口處。當(dāng)空化發(fā)展到一定程度時，汽泡明顯增加?？栈跎涂栈l(fā)展兩個階段，揚程隨著汽蝕余量的減小在很小的范圍內(nèi)變化。當(dāng)達到臨界空化狀態(tài)時，汽泡數(shù)量大大增加，并延伸到葉片工作面，空化開始對泵外特性產(chǎn)生明顯影響。斷裂空化狀態(tài)，工作面的汽泡大大增加，并且葉輪流道內(nèi)的汽泡從葉輪進口迅速延伸到葉輪出口區(qū)。此時泵揚程隨著汽蝕余量的減小急劇下降，到一定程度完全不能正常運行。由于葉輪轉(zhuǎn)速較高，汽泡在流到葉輪出口區(qū)并進入蝸殼內(nèi)部高壓區(qū)域后會迅速潰滅，使葉片和泵體受到?jīng)_擊。壓水室結(jié)構(gòu)的不對稱導(dǎo)致葉輪內(nèi)汽泡分布也不對稱。

為更好分析葉輪內(nèi)汽泡分布規(guī)律，給出空泡沿徑向位置的分布。橫坐標(biāo)為徑向半徑R，縱坐標(biāo)為空泡體積分?jǐn)?shù)φ。葉輪輪轂直徑為80 mm，外徑為230 mm，因此徑向半徑為0.04～ 0.115 m。空化初生時，汽泡僅分布在葉輪進口側(cè)0.04～0.052 m的位置，汽泡體積分?jǐn)?shù)最大也僅為0.63。當(dāng)空化發(fā)展到一定程度時，汽泡沿徑向延伸到0.06 m的位置，最大汽泡體積分?jǐn)?shù)也增加到0.79。臨界空化狀態(tài)下，汽泡沿徑向延伸到0.078 m的位置，最大汽泡體積分?jǐn)?shù)達到0.84。斷裂空化狀態(tài)下，汽泡沿徑向延伸到0.096 m的位置，最大汽泡體積分?jǐn)?shù)高達0.9，靠近葉輪出口側(cè)以及較大體積分?jǐn)?shù)的汽泡數(shù)量均大范圍增加，葉輪流道堵塞十分嚴(yán)重。

圖5　葉輪內(nèi)汽體體積分?jǐn)?shù) Fig.5 Gas volume fraction in the impeller

圖6　空泡沿徑向位置分布 Fig.6 Gas distribution along the radial position

圖7　葉輪流線圖 Fig.7 Streamline of the impeller

2.2速度分布規(guī)律

圖7是定常計算下不同空化狀態(tài)時葉輪流道內(nèi)前蓋板表面的流線圖?？栈跎鷷r，葉輪流道內(nèi)雖然有汽泡存在，但是對流場特性影響很小，流速分布比較均勻、穩(wěn)定。當(dāng)空化發(fā)展到一定程度時，葉輪流道內(nèi)開始出現(xiàn)微小的漩渦，整體流線分布仍然很均勻。臨界空化狀態(tài)下葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)明顯的漩渦，汽泡密集區(qū)域?qū)?yīng)的流速也較高，汽泡較少的區(qū)域形成低速區(qū)，流態(tài)進一步惡化。當(dāng)達到斷裂空化狀態(tài)時，葉輪流道內(nèi)形成面積更大的漩渦區(qū)域。由此可知，隨著空化程度的加劇，葉輪流道內(nèi)漩渦面積不斷增加，流線也越來越紊亂。

2.3壓力脈動特性分析

圖8　壓力脈動時域圖 Fig.8 Time domain of pressure pulsation

圖8是不同空化狀態(tài)下各監(jiān)測點的壓力脈動時域圖。圖(a)中，空化初生時，泵內(nèi)部壓力場的脈動較為規(guī)律。監(jiān)測點A、C的壓力脈動最大值比B、D高，這是因為A、C兩點在雙蝸殼的隔舌附近，葉輪與蝸殼的動靜干涉造成A、C兩點壓力脈動峰值較大，這也是造成泵振動和噪聲的重要原因[11]。四個點在一個周期內(nèi)大約可以完成三次同樣規(guī)律性的小周期變化。圖(b)中，空化發(fā)展到一定程度時，空化誘導(dǎo)的壓力脈動和葉輪蝸殼動靜干涉造成的壓力脈動共同對泵內(nèi)部壓力場產(chǎn)生影響，因此壓力脈動較為雜亂，監(jiān)測點A、B、C、D在一個大周期內(nèi)有幾次小周期性地變化，每次變化都有一定的差別，沒有明顯的規(guī)律性。圖(c)為臨界空化狀態(tài)，此時各監(jiān)測點的壓力脈動不僅具有明顯的周期性，而且具有較高的相似性。 C點壓力系數(shù)Cp最大值為0.67，最小值為0.28，差值為0.39，而圖(b)中C點Cp最大值為0.86，最小值為0.55，差值為0.31，而圖(a)中C點Cp最大值與最小值差值僅為0.21。與前兩個狀態(tài)相比，C點的瞬態(tài)壓力值明顯下降，但是脈動幅值更大，其余各點情況類似?？梢姶藭r壓力脈動雖然比較有規(guī)律，但波動程度更為劇烈，證明空化誘發(fā)的壓力脈動逐漸成為控制泵內(nèi)部壓力場波動的主要因素。圖(d)中，斷裂空化狀態(tài)下，由于泵內(nèi)部流場出現(xiàn)大量的回流和漩渦等各種不穩(wěn)定因素，壓力脈動重新變得不規(guī)律。四個點Cp最小值均出現(xiàn)在0值附近，而C點的Cp最大值高達1左右，脈動幅值遠(yuǎn)高于前三種空化狀態(tài)。而A、B、D三點Cp最大值與最小值差值分別為0.34、0.39和0.31，圖(c)中差值分別為0.28、0.27和0.29，A、B兩點的脈動幅值也有明顯上升，D點脈動幅值上升較小是因為D點靠近蝸殼出口，流場逐漸穩(wěn)定?？梢姅嗔芽栈瘯r泵內(nèi)部壓力脈動規(guī)律比較紊亂。

圖9　壓力脈動頻域圖 Fig.9 Frequency domain of pressure pulsation

通過快速傅里葉變換(FFT)，將圖8中各監(jiān)測點的壓力脈動時域圖轉(zhuǎn)換為頻域圖。如圖9所示，橫坐標(biāo) F為頻率。葉輪轉(zhuǎn)速為4500r/min，葉片數(shù)3，因此軸頻75 Hz，葉頻225 Hz[11]。從圖中可以看出，蝸殼內(nèi)壓力脈動主要產(chǎn)生在低頻區(qū)，并呈現(xiàn)周期性降低的趨勢，中高頻處有較小幅值的脈動?？栈跎鷷r，四個監(jiān)測點主頻和次主頻全部出現(xiàn)在葉頻及倍葉頻處。各監(jiān)測點的脈動幅值差異較小，靠近隔舌附近的C點脈動幅值略高?？栈l(fā)展到一定程度時，各點主頻幅值沒有明顯變化，但由于空化和葉輪蝸殼動靜干涉共同干擾，脈動有點紊亂。其中，A、B、D三點的主頻依然在葉頻處，C點的主頻及次主頻出現(xiàn)在軸頻和倍軸頻處。臨界空化狀態(tài)下，各監(jiān)測點脈動幅值重新變得比較規(guī)律，并且主頻及次主頻全部出現(xiàn)在葉頻和倍葉頻處。但是各監(jiān)測點主頻脈動幅值明顯增加，B、D兩點的主頻幅值幾乎翻了1倍。A、C兩個靠近隔舌處的監(jiān)測點幅值反而低于B、D兩點，這也證明了臨界空化狀態(tài)下空化開始成為控制泵內(nèi)部壓力脈動的主要因素。斷裂空化時，各點脈動幅值重新變得比較雜亂。特別是C點，主頻幅值是臨界空化狀態(tài)下的2.3倍，在中高頻區(qū)域也出現(xiàn)一定的紊亂幅值，這與圖8(d)中C點的壓力脈動狀態(tài)相對應(yīng)。此時汽泡從葉輪流道擴散到蝸殼內(nèi)部高壓區(qū)，并迅速潰滅，對泵體產(chǎn)生沖擊和破壞。

3試驗研究

3.1汽蝕試驗臺與樣機

汽蝕試驗方法很多，在開式試驗臺上做汽蝕是最常用的方法之一。采用開式試驗臺做汽蝕操作簡單，安裝快捷，試驗成本低，但是如果設(shè)備選擇不合理，安裝操作不當(dāng)，會嚴(yán)重影響試驗精度。為保證進口密封性，在進口閥門處采取水封措施。汽蝕試驗時，減小裝置汽蝕余量NPSHa的方法是通過關(guān)小進口閥門，增加進口阻力，逐漸降低泵入口壓力，改變NPSH值直到揚程下降到3%時來確定，對應(yīng)該性能下降的汽蝕余量稱為臨界汽蝕余量。圖10是汽蝕試驗臺原理圖。

圖10　汽蝕試驗臺原理圖 Fig.10 Schematic of the cavitation test station

3.2試驗結(jié)果及分析

圖11　汽蝕模擬與試驗結(jié)果 Fig.11 Results of cavitation simulation and experimental

如圖11所示，從零流量點到最大流量點，模擬值和試驗值逐漸接近，這是因為設(shè)計時為了保證最大流量點的汽蝕性能，偏向大流量點設(shè)計的緣故。上充工況點34 m3/h的模擬值為157.6 m，試驗值為149.9 m，絕對誤差5.1%。而上充工況點的設(shè)計值為144 m，和試驗值絕對誤差為3.9%，試驗值比模擬值更接近設(shè)計值。最大流量點160 m3/h，揚程模擬值為119.3 m，試驗值為116.9 m，其絕對誤差為2.1%，試驗值更接近設(shè)計值，與設(shè)計值113 m的絕對誤差為3.5%。模擬與試驗趨勢一致，模擬由于有些設(shè)置理想化，加上只計算了水力損失，因此揚程和效率偏高。

當(dāng)揚程下降3%時，對應(yīng)數(shù)值模擬的臨界汽蝕余量數(shù)值NPSH=6.54 m，試驗的臨界汽蝕余量 NPSH =6.75m，其絕對誤差為3.1%。誤差在合理范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為模擬結(jié)果是正確的，首級葉輪達到了多工況設(shè)計的要求，汽蝕性能合格。因此，建立模型的方法和計算方法是正確的。

需要補充說明的是，上充泵為低比轉(zhuǎn)速泵，流道較窄，因此在達到臨界空化狀態(tài)后，進一步降低進口壓力，汽泡會迅速堵塞葉輪導(dǎo)致泵揚程陡降。而對于高比轉(zhuǎn)速離心泵、混流泵和軸流泵，由于流道較寬，空化嚴(yán)重時的揚程下降趨勢可能相對緩慢，不同類型泵在不同空化狀態(tài)下的表現(xiàn)不一定相同，但可用文中敘述的方法，根據(jù)揚程下降的程度對空化狀態(tài)進行細(xì)分，研究其它類型泵的空化特點。

4結(jié)論

(1)空化初生時汽泡首先出現(xiàn)在葉片背面，隨著空化程度的不斷加深，葉輪流道內(nèi)沿徑向位置的汽泡數(shù)量迅速增加，汽泡體積分?jǐn)?shù)也越來越大，并漫延到葉片工作面和出口。空化嚴(yán)重時葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)大面積的漩渦區(qū)域。

(2)空化初生時的壓力脈動較為規(guī)律，葉輪與蝸殼動靜干涉起主要作用，隨后空化逐漸成為控制泵內(nèi)部壓力脈動的主要因素。從空化初生到空化發(fā)展，從臨界空化到斷裂空化，泵內(nèi)部壓力脈動呈現(xiàn)由規(guī)律→不規(guī)律→規(guī)律→不規(guī)律的變化過程?？栈l(fā)展階段壓力脈動不規(guī)律主要是因為空化和葉輪蝸殼動靜干涉共同干擾葉輪內(nèi)流體的運動，而斷裂空化時泵內(nèi)部壓力脈動極不穩(wěn)定主要是因為葉輪內(nèi)部汽泡堵塞流道嚴(yán)重，以及大面積漩渦和回流等各種不穩(wěn)定因素的影響。

(3)數(shù)值計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)相吻合，最大流量工況數(shù)值模擬值與試驗值的揚程誤差為2.1%，汽蝕余量誤差為3.5%，數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢相同，揭示了上充泵的不同空化狀態(tài)下的內(nèi)部流場變化規(guī)律。

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第一作者巴振寧男，博士，副教授，1980年11月生

通信作者梁建文男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1965年2月生