基于CFD大流量多級凝結(jié)水泵性能分析及其特性試驗(yàn)

王正初，盧圣甌，倪君輝，余偉平，倪晨超

（臺州學(xué)院 航空工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

0 引言

凝結(jié)水泵是工業(yè)流程泵中最重要的泵之一，廣泛適用于冶金、發(fā)電、精煉、石油化工、建材、化工、輕紡等行業(yè)采暖余熱利用系統(tǒng)中凝結(jié)水和工業(yè)汽輪機(jī)冷凝水的抽送。此外也用于有高真空度要求的密閉容器等工藝流程汽蝕性能要求較高場合的液體抽送[1-2]。尤其在火力發(fā)電站中，凝結(jié)水泵是最關(guān)鍵和耗能較高的重要輔機(jī)設(shè)備之一，也是發(fā)電機(jī)組安全、可靠運(yùn)行的重要保證之一[3-4]。凝結(jié)水泵的技術(shù)水平主要取決于泵的水力效率、汽蝕性能及機(jī)組整體的可靠性等。只有較高水平的凝結(jié)水泵產(chǎn)品才能滿足應(yīng)用現(xiàn)場工藝流程和裝置的嚴(yán)格技術(shù)要求。隨著石油、化工等行業(yè)產(chǎn)量增大，汽輪機(jī)等工業(yè)裝備單機(jī)容量逐漸增加，對凝結(jié)水泵的性能和可靠性都提出了更高的要求，迫切需要一種大流量高可靠性的凝結(jié)水泵。因此，項(xiàng)目組研發(fā)了GN280-60臥式多級凝結(jié)水泵產(chǎn)品和水力模型，采用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，并對制造的樣機(jī)進(jìn)行外特性試驗(yàn)，結(jié)果顯示兩組數(shù)據(jù)吻合比較理想。

通過文獻(xiàn)查閱，進(jìn)一步了解凝結(jié)水泵的相關(guān)研究現(xiàn)狀：文獻(xiàn)[5-6]對水泵過流部件的建模和水泵CFD進(jìn)行了全面的研究；文獻(xiàn)[7-8]對凝結(jié)水泵的設(shè)計(jì)做了研究；劉承江[9]等在凝結(jié)水泵的三維流場數(shù)值模擬分析方面取得了一定的進(jìn)展。鄭水華，莊保堂[10-13]等在凝結(jié)水泵就誘導(dǎo)輪和首級葉輪等吸入裝置進(jìn)行了研究，為項(xiàng)目組工作的開展提供了一定的幫助。

1 模型泵設(shè)計(jì)

多級臥式凝結(jié)水泵GN280-60的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該泵的吸入段采用了軸向水平吸入結(jié)構(gòu)，具體包括一個(gè)具有高汽蝕性能首級葉輪及一個(gè)前置誘導(dǎo)輪。軸向水平吸入結(jié)構(gòu)主要是為了改善泵的吸入流態(tài)性能，提高水泵的汽蝕性能；采用節(jié)段式、多級、懸臂結(jié)構(gòu)主要用于平衡軸向力，消除了一般多級泵的軸向竄動(dòng)。前置誘導(dǎo)輪用于提高進(jìn)入首級葉輪流體的壓力。

表1 凝結(jié)水泵設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 臥式多級凝結(jié)水泵結(jié)構(gòu)示意圖

2 模型泵性能預(yù)測

2.1 湍流計(jì)算方法與湍流模型

采用基于CFD的方法對多級臥式凝結(jié)水泵內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬和性能預(yù)測。由于GN280-60多級凝結(jié)水泵的內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的黏性不可壓湍流流動(dòng)，所以采用工程中應(yīng)用最為廣泛的雷諾時(shí)均法來進(jìn)行模擬計(jì)算。湍流數(shù)值模擬方法采用ANSYS CFX R19商用軟件中的RNGk-ε模型[14]，其輸運(yùn)方程分別為:

其中，k為湍動(dòng)能；ε為耗散率；其余皆為無量綱常數(shù)：η0=4.38，β=0.012，Cu=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，σk=0.7194，σε=0.7194。

2.2 模型泵三維造型和網(wǎng)格劃分

采用UG軟件對各個(gè)過流部件及其水體進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。GN280-60多級凝結(jié)水泵水體共包括九部分，裝配之后的水體模型詳見圖2（a）所示。采用ICEM Tetra工具將多級凝結(jié)水泵的各個(gè)計(jì)算域分別劃分成四面體網(wǎng)格。在誘導(dǎo)輪、各級葉輪及導(dǎo)葉等影響重大的部位選用較小的網(wǎng)格尺寸，在進(jìn)水管及出水管選用較大的網(wǎng)格尺寸。對流體域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，選取103萬～347萬間由疏到密5組不同網(wǎng)格數(shù)量的原模型在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行定常計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在總體網(wǎng)格數(shù)大于320萬后，揚(yáng)程變化小于1%。流體域模型網(wǎng)格數(shù)量最終控制在330萬左右，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2（b）所示。

圖2 模型泵水體模型和網(wǎng)格劃分

2.3 數(shù)值計(jì)算方法

采用有限體積法將控制方程在空間上進(jìn)行離散，對流項(xiàng)采用CFX中的高分辨率格式，其他項(xiàng)采用中心差分格式，利用全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù)進(jìn)行計(jì)算[15-16]。GN280-60多級凝結(jié)水泵泵數(shù)值模型共包括9個(gè)計(jì)算域，其中誘導(dǎo)輪、首級葉輪、次級葉輪、末級葉輪為旋轉(zhuǎn)域，且轉(zhuǎn)速相同，其他部分為靜止域。旋轉(zhuǎn)域與靜止域間通過交界面?zhèn)鬟f數(shù)據(jù)，采用CFX軟件中的Frozen Rotor“凍結(jié)轉(zhuǎn)子法”。此次模擬共涉及7對動(dòng)靜交界面，如圖3所示，主要在誘導(dǎo)輪和各級葉輪的進(jìn)口和出口處。邊界條件為：進(jìn)口設(shè)為總壓1 atm，計(jì)算參考壓力為0 Pa；出口設(shè)為質(zhì)量流量，忽略粗糙度的影響。在迭代計(jì)算的過程中，通過監(jiān)測殘差判斷計(jì)算是否收斂，收斂精度為10-5。

圖3 7對動(dòng)靜交界面

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)所述離心泵水力性能數(shù)值模擬方法，對凝結(jié)水泵的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬；分別計(jì)算小流量到大流量的 6 個(gè)工況點(diǎn)（0.2Qd、0.4Qd、0.6Qd、0.8Qd、1.0Qd、1.2Qd）。通過 CFX-post得到泵內(nèi)部的流動(dòng)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對水泵的性能進(jìn)行合理預(yù)測，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模型泵性能預(yù)測數(shù)據(jù)

2.5 凝結(jié)水泵內(nèi)部流場的分析

設(shè)計(jì)工況下從進(jìn)口到出口的全流道內(nèi)的壓力分布情況如圖4所示。從圖中可以看出，在全流道內(nèi)壓力逐漸增高，且增加的幅度均勻。3個(gè)工況（Q=0.8Qd、Q=Qd、Q=1.2Qd）下各級葉片靜壓分布以及沿與主軸垂直截面的各級單元流道內(nèi)的靜壓分布分別如圖5至圖8所示。由于葉輪做功的原因，從葉片的進(jìn)口到出口靜壓逐漸升高，從后蓋板到前蓋板葉片表面壓力分布大致相同，表明葉片負(fù)載基本是均勻分布的。由圖5和圖6可知，葉輪的最小壓力出現(xiàn)在葉輪葉片入口處，這也是汽蝕最容易發(fā)生的位置。由圖7和圖8可知，葉輪表面的靜壓沿徑向逐漸增大；在相同半徑位置，葉片工作面的壓力大于葉片背面的壓力。在導(dǎo)葉區(qū)，隨過流斷面的面積增加，靜壓增加。當(dāng)多級凝結(jié)水泵運(yùn)行在設(shè)計(jì)流量工況下時(shí)，流道內(nèi)的靜壓分布趨于規(guī)則分布，運(yùn)行相對穩(wěn)定；當(dāng)運(yùn)行在大流量工況下時(shí)，會出現(xiàn)壓力在圓周方向上的不均勻現(xiàn)象。

圖4 全流道內(nèi)壓力分布圖

圖5 首級葉片壓分布圖

圖6 末級葉片壓分布圖

圖7 第一級單元壓分布圖

圖8 第三級單元壓分布圖

3 樣機(jī)型式試驗(yàn)

對樣機(jī)進(jìn)行外特性試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)臺簡圖如圖9所示。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和水泵的軸功率由扭矩儀得到，其他主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備還包括進(jìn)/出口壓力變送器、電磁流量計(jì)等。水泵的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示（全部已經(jīng)換算成額定轉(zhuǎn)速下），性能曲線如圖10所示。由表3可以看出，所設(shè)計(jì)的泵在各項(xiàng)指標(biāo)上完全達(dá)到并超過了設(shè)計(jì)點(diǎn)的要求，其中揚(yáng)程（三級）超設(shè)計(jì)點(diǎn)4.54%,功率降低了2.13%，而效率提高了8百分點(diǎn)，相對于設(shè)計(jì)點(diǎn)提高了13%。

圖9 水泵實(shí)驗(yàn)臺示意圖

表3 水泵性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖10 測試性能與CFD預(yù)測性能對比

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)對比分析

圖10分別從揚(yáng)程、功率、效率三個(gè)方面展示了多級凝結(jié)水泵的試驗(yàn)與CFD預(yù)測結(jié)果的對比。從圖中可以看出：三條曲線（Q-H,Q-Pa,Q-η）的變化趨勢完全一致。從Q-H曲線可以看出，凝結(jié)水泵在小流量時(shí)，揚(yáng)程變化比較平緩，但是在0.6Qd時(shí)，揚(yáng)程開始加速下降，特別是在0.8Qd時(shí)開始急劇下降，在設(shè)計(jì)點(diǎn)的附近揚(yáng)程變化比較劇烈。從表2和表3，以及圖10中的Q-η曲線可以看出，水泵的最佳工況往大流量方向偏移，出現(xiàn)在1.1Qd的附近，與設(shè)計(jì)工況有偏差。水泵最優(yōu)工況附近比較平坦，高效區(qū)都比較寬。同時(shí)也可以看出，在小流量附近，效率的誤差較?。?%），在設(shè)計(jì)點(diǎn)的附近則誤差較大（3%），但是模擬的效率總體都高于測試的效率，這是因?yàn)殡m然此次模擬考慮到了葉片前后腔流道，但是未考慮口環(huán)間隙處的流道，即未進(jìn)行水泵全流場的數(shù)值模擬，未考慮容積損失。此外針對大小流量，不同湍流模型的選用對模擬的結(jié)果也有一定的影響[17]。此次數(shù)值模擬時(shí)，忽略表面粗糙度對流場的影響，也導(dǎo)致了效率的提高。CFD數(shù)值模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確地預(yù)測了水泵的性能，包括各個(gè)流量下的值及其變化趨勢，但是模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果之間仍然存在一定的偏差，還需要進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

采用CFD方法對大流量多級臥式凝結(jié)水泵進(jìn)行性能預(yù)測與內(nèi)部流場模擬分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對比和分析后可以得出:

（1）利用CFD對水泵的性能進(jìn)行預(yù)測，與試驗(yàn)值對比后發(fā)現(xiàn)吻合比較理想，說明此次采用CFD預(yù)測水泵的性能是可行和有效的，結(jié)果是可信的。

（2）由模擬結(jié)果可知，凝結(jié)水泵的內(nèi)部流動(dòng)合理，無明顯的缺陷，此次研制的水力模型達(dá)到了較高水平，也滿足了實(shí)際工程的需要。

總之，相對于其他水泵，凝結(jié)水泵由于其工作場合的特殊性，易發(fā)生空化、空蝕現(xiàn)象，并由此導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)、噪音和流量下降，影響裝置的可靠性等。因此，后續(xù)采用CFD方法對該水泵空化性能的分析與預(yù)測也是非常重要且有意義的。