導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響

楊從新,齊亞楠,黎義斌,王秀勇

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州　730050)

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導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響

楊從新1,2,齊亞楠1,黎義斌1,2,王秀勇1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730050)

摘要以核反應(yīng)堆冷卻劑泵為研究對(duì)象,探討導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響。首先選取三個(gè)核主泵,在只改變導(dǎo)葉葉片出口角的情況下,構(gòu)建新的導(dǎo)葉和核主泵,通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)核主泵性能,并分析導(dǎo)葉葉片出口角變化前后核主泵性能參數(shù)及內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況。結(jié)果顯示:對(duì)于所選取的三個(gè)核主泵,當(dāng)導(dǎo)葉葉片出口角減小后,核主泵的效率最低提高0.66%,揚(yáng)程最低上升0.15 m。其次,采用方格網(wǎng)保角變換法設(shè)計(jì)導(dǎo)葉葉片骨線時(shí),相對(duì)于骨線的形狀,葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響更大;但是在方格網(wǎng)中,當(dāng)葉片骨線為直線時(shí),導(dǎo)葉內(nèi)部的壓力和速度比葉片骨線為曲線時(shí)變化更加均勻。另外,導(dǎo)葉可以將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時(shí)又起著導(dǎo)流作用將從葉輪流出的液體導(dǎo)入蝸殼,但是導(dǎo)葉提供給蝸殼的流體的參數(shù)對(duì)核主泵性能參數(shù)的影響更大,為導(dǎo)葉的后續(xù)研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞核主泵;導(dǎo)葉;出口角;數(shù)值模擬

目前,對(duì)核主泵導(dǎo)葉的探討涉及到導(dǎo)葉對(duì)核主泵空化性能的影響[1]、扭曲導(dǎo)葉和直導(dǎo)葉對(duì)核主泵性能的對(duì)比[2,3]、導(dǎo)葉進(jìn)口邊位置的探討[2,4,5]以及導(dǎo)葉內(nèi)部壓力脈動(dòng)的研究[6]。但是對(duì)核主泵導(dǎo)葉出口角的研究較少,所以我們以核主泵的模型泵為研究對(duì)象,在保持核主泵其余幾何參數(shù)不變的情況下,只改變導(dǎo)葉葉片出口角,并建立數(shù)值模型預(yù)測(cè)其性能來(lái)探討導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響。核反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡(jiǎn)稱(chēng)核主泵)是核電站的重要組成部件,主要由進(jìn)口段、葉輪、導(dǎo)葉、壓出室、出口段構(gòu)成,如圖1所示。

1數(shù)學(xué)模型

由于核主泵的原型尺寸大、對(duì)計(jì)算機(jī)要求高、試驗(yàn)周期長(zhǎng),所以根據(jù)相似換算準(zhǔn)則,選取縮比系數(shù)為λ的模型泵為研究對(duì)象,將原型泵的設(shè)計(jì)參數(shù)按照相似定律[7]換算后得到模型泵在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行參數(shù)(見(jiàn)表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:M為模型泵參數(shù),下角標(biāo)P為原型泵參數(shù);D為泵的幾何尺寸(m);n為泵的轉(zhuǎn)速(r/min);Q為泵的體積流量(m3/h);H為泵的揚(yáng)程(m)。

根據(jù)表1中的額定參數(shù),首先建立初步的模型泵,其幾何尺寸如表2所列。忽略容積損失和機(jī)械損失后,通過(guò)數(shù)值模擬預(yù)測(cè)初步模型泵的性能,所得性能參數(shù)如下:流量QVM=2 705 m3/h,揚(yáng)程HM=32.18 m,轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min,效率ηM=84.61%,說(shuō)明初步設(shè)計(jì)的模型泵滿足設(shè)計(jì)要求。

為了減弱單個(gè)模型泵帶來(lái)的獨(dú)特性,在初步設(shè)計(jì)的模型泵基礎(chǔ)上,保持進(jìn)水段、葉輪、壓出室、出水段不變,根據(jù)一元理論設(shè)計(jì)了A1、B1和C1三種導(dǎo)葉,且導(dǎo)葉出口角均為36°。當(dāng)只將上述導(dǎo)葉的出

口角從36°調(diào)整為29°時(shí),就形成了新的導(dǎo)葉A2、B2和C2。圖2和圖3所示為導(dǎo)葉主要的水力設(shè)計(jì)圖,其中葉片繪型采用方格網(wǎng)保角變換法,具體步驟參照文獻(xiàn)[7]。結(jié)合圖2和圖3在軟件Pro/E的幫助下可以得到6個(gè)導(dǎo)葉的三維模型。

當(dāng)模型泵的進(jìn)水段、葉輪、壓出室、出水段不變且分別與6種導(dǎo)葉搭配時(shí),構(gòu)成了6個(gè)新的模型泵。為方便簡(jiǎn)述,記與導(dǎo)葉A1組合而構(gòu)成的模型泵為模型泵A1,其余類(lèi)似。

2數(shù)值計(jì)算方法

為預(yù)測(cè)模型泵性能,應(yīng)用Fluent軟件對(duì)6個(gè)模型泵進(jìn)行定常數(shù)值模擬,相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下:在選用連續(xù)方程和動(dòng)量方程聯(lián)合求解的基礎(chǔ)上,選用RNG κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,并用二階迎風(fēng)格式離散基本方程組。在邊界條件設(shè)置中,進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口,出口設(shè)置為自由岀流,壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。此外,動(dòng)靜之間的耦合采用多重參考系(MRF,multiple reference frome),計(jì)算的收斂精度設(shè)置為10-4。

數(shù)值模擬的前提是將連續(xù)空間點(diǎn)轉(zhuǎn)化為離散的空間點(diǎn),所以在對(duì)所有模型泵進(jìn)行數(shù)值計(jì)算之前還需對(duì)模型泵進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,并驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的敏感度。對(duì)網(wǎng)格數(shù)在603.8×104、1 141×104及1 537.9×104的模型泵進(jìn)行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)效率最大誤差為設(shè)計(jì)效率的0.9%,揚(yáng)程最大誤差為設(shè)計(jì)揚(yáng)程的0.65%。綜合考慮后確定模型泵網(wǎng)格數(shù)應(yīng)在1 100×104以上。

3結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)6個(gè)模型泵在設(shè)計(jì)工況下的運(yùn)行情況,并分別對(duì)比分析三組模型泵A、B、C內(nèi)外性能參數(shù)的變化。

3.1外性能分析

在設(shè)計(jì)工況下,6個(gè)模型泵A1、A2、B1、B2、C1、C2的外性能參數(shù)如圖4所示。相對(duì)于出口角為36°的三種導(dǎo)葉A1/B1/C1,當(dāng)只將導(dǎo)葉出口角減小為29°即形成新的導(dǎo)葉A2、B2、C2時(shí),模型泵A2、B2、C2的揚(yáng)程最低上升0.15 m,效率最低提高0.66%;蝸殼的水力損失下降;模型泵A2、B2、 C2中導(dǎo)葉內(nèi)的水力損失變化不一。

總體來(lái)看,導(dǎo)葉葉片出口角的減小有利于提高模型泵設(shè)計(jì)工況下的外性能參數(shù)。這是因?yàn)閷?duì)于任意一組模型泵來(lái)說(shuō),當(dāng)保持導(dǎo)葉其余幾何參數(shù)一致,只改變導(dǎo)葉葉片出口角時(shí),導(dǎo)葉的骨線也會(huì)發(fā)生變化,從而影響流體的流動(dòng)狀態(tài);其次,由速度三角形知,導(dǎo)葉葉片出口角的改變會(huì)直接影響進(jìn)入蝸殼的流體速度,從而改變過(guò)流部件內(nèi)的水力損失。

3.2內(nèi)性能分析

為方便描述導(dǎo)葉的內(nèi)部流場(chǎng),首先引入以下兩個(gè)變量:

葉輪出口到導(dǎo)葉出口線段的相對(duì)位置為

(5)

其中:N為葉輪出口到導(dǎo)葉出口的流道線段的平均長(zhǎng)度(m);n為垂直于此流道線段的面與線段的交點(diǎn)到葉輪出口的距離(m)。

壓力系數(shù):

(6)

其中:P為靜壓(Pa);ρ為介質(zhì)密度(kg/m3);v為介質(zhì)絕對(duì)速度(m/s)。所使用的壓力均為參考?jí)毫Α?/p>

為進(jìn)一步分析模型泵外特性產(chǎn)生的原因,圖5展示了過(guò)流部件內(nèi)面平均參數(shù)從葉輪出口到導(dǎo)葉出口的變化情況。圖5中n′=0.1附近參數(shù)的不規(guī)律變化是由于此面為導(dǎo)葉葉片進(jìn)口邊所在的空間曲面,導(dǎo)葉葉片進(jìn)口會(huì)受到來(lái)流的沖擊使流動(dòng)更加不穩(wěn)定,從而造成部分參數(shù)不同程度的波動(dòng)。

首先,相較于葉輪出口處的面平均參數(shù),可以知道導(dǎo)葉出口處的壓力更高,速度更低,壓力系數(shù)更高,這就說(shuō)明導(dǎo)葉可以進(jìn)行流體動(dòng)能與壓力能之間的轉(zhuǎn)換。其次,分別比較A、B、C三組導(dǎo)葉葉片出口角變化前后參數(shù)的變化情況可知,導(dǎo)葉出口角減小后,在導(dǎo)葉出口處面平均參數(shù)中,壓力系數(shù)減小,流體速度增大,導(dǎo)葉A2內(nèi)流體的壓力增大,導(dǎo)葉B2、C2內(nèi)流體的壓力減小,即導(dǎo)葉B2、C2將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能的能力減弱。導(dǎo)葉中心平面上的流線分布見(jiàn)圖6。由圖6可知,導(dǎo)葉出口角減小后,導(dǎo)葉出口中心平面上的流線分布相對(duì)來(lái)說(shuō)更加平滑。所以,結(jié)合圖5和圖6可知,對(duì)于核主泵來(lái)說(shuō),相對(duì)于能量的轉(zhuǎn)換,導(dǎo)葉為蝸殼提供的來(lái)流參數(shù)對(duì)核主泵性能的影響更大,導(dǎo)葉出口角處流體的參數(shù)對(duì)模型泵的性能更加重要。

此外,結(jié)合圖3～圖5分析葉片骨線形式和葉片出口角對(duì)核主泵性能影響的重要程度。由圖3知,導(dǎo)葉A2和導(dǎo)葉C1在方格網(wǎng)中的流線為直線,其余導(dǎo)葉的流線均為樣條曲線。結(jié)合圖5中A、C兩組導(dǎo)葉內(nèi)參數(shù)變化趨勢(shì)知,導(dǎo)葉A2和導(dǎo)葉C1內(nèi)壓力和速度的變化相對(duì)于導(dǎo)葉A1和C2來(lái)說(shuō),變化更加均勻,所以導(dǎo)致導(dǎo)葉C2內(nèi)部的水力損失增加。再結(jié)合圖4中A、C兩組模型泵中揚(yáng)程、效率、蝸殼水力損失及導(dǎo)葉水力損失的變化,可以說(shuō)明在采用方格網(wǎng)保角變換法繪制葉片骨線時(shí),導(dǎo)葉葉片骨線的直曲形式對(duì)模型核主泵整體性能的影響小于導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響。

4結(jié)論

為了研究導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響,選取了三組導(dǎo)葉,減弱了結(jié)論的特殊性。通過(guò)定常數(shù)值模擬對(duì)模型泵的運(yùn)行狀況進(jìn)行了預(yù)測(cè),通過(guò)比較分析模型泵的預(yù)測(cè)結(jié)果,在研究范圍內(nèi)得到以下結(jié)論:

(1)采用方格網(wǎng)保角變換法設(shè)計(jì)導(dǎo)葉葉片骨線時(shí),相對(duì)于骨線的形狀,葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響更大;但是,當(dāng)葉片骨線為直線時(shí),導(dǎo)葉內(nèi)部的壓力和速度比葉片骨線為曲線時(shí)變化更加均勻;

(2)導(dǎo)葉可以將流體動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時(shí)又起著導(dǎo)流作用將從葉輪流出的液體導(dǎo)入蝸殼,但是導(dǎo)葉提供給蝸殼的流體的參數(shù)對(duì)核主泵性能參數(shù)的影響更大;

(3)導(dǎo)葉出口角減小后,核主泵的效率最低提高了0.66%,揚(yáng)程最低上升0.15 m,為導(dǎo)葉的進(jìn)一步研究提供了參考依據(jù)。

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Influence of Outlet Angle of Guide Vane on Performance of Nuclear Main Pump

Yang Congxin1,2,Qi Yanan1,Li Yibin1,2,Wang Xiuyong1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Key Laboratory of Fluid machinery and Systems of Gansu Province,Lanzhou 730050,China)

Key wordsNuclear main pump;Guide vane;Outlet angle;Numerical simulation

AbstractThe influence of outlet angle of guide vane on performance of nuclear main pump is discussed by taking reactor coolant pump.First,choose three nuclear main pumps,and build new guide vanes and nuclear main pumps under the circumstance of only changing outlet angle of guide vane,then analyze distribution of performance parameters and inner flow field before and after the changes of outlet angle of guide vane.The results indicate that when outlet angle of guide vane in the three nuclear main pump chosen decreases,the lowest increase of efficiency of nuclear main pump is 0.66%,and the lowest lift is 0.15 m.Second,outlet angle of guide vane has a bigger influence on performance of nuclear main pump than shapes of bone line when designing bone line of guide vane by conformal mapping method of grid square.However,the change of inner pressure and speed of guide vane is more well-distributed when bone line of guide vane is curve rather than straight in grid square.Besides,guide vane can transfer fluid dynamic energy to pressure energy and guide liquid from vane wheel to volute as as liquid guiding role as well.Whereas the latter that is parameter of fluid to volute from guide vane has a bigger influence on performance parameter of nuclear main pump,which provides a reference for the further research on guide vane.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.011.

收稿日期:2015-03-09;修回日期:2015-03-25.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51369015).

作者簡(jiǎn)介:楊從新(1964-),男,陜西興平人,博士,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)楹酥鞅脙?nèi)部流動(dòng)特性及設(shè)計(jì)方法.E-mail:ycxwind@163.com. 通訊作者:齊亞楠.E-mail:382007194@qq.com.

中圖分類(lèi)號(hào):TK72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)03-0049-05

引用格式:Yang Congxin,Qi Yanan,Li Yibin,et al.Influence of Outlet Angle of Guide Vane on Performance of Nuclear Main Pump[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):49-53.[楊從新,齊亞楠,黎義斌,等.導(dǎo)葉葉片出口角對(duì)核主泵性能的影響[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(3):49-53.]