核電站重要廠用水泵葉片磨損對其性能的影響

譚正生，陳揚(yáng)，林彬，段勛興，徐偉

（1.重慶化工職業(yè)學(xué)院,重慶 401228；2.江蘇大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心,江蘇鎮(zhèn)江 212013）

核電作為一種清潔能源，其發(fā)電效率高、集中性好、便于統(tǒng)一處理，造成的污染比傳統(tǒng)能源低很多，因此在我國核電占有很重要的地位[1?3]。核電站重要廠用水系統(tǒng)是進(jìn)行冷卻的核安全相關(guān)的重要系統(tǒng)[4]。重要廠用水泵[5]（簡稱SEC泵）是該系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的好壞直接決定了該系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

Majidi[6]、Makagawa等[7]發(fā)現(xiàn)，蝸殼和葉輪內(nèi)的流動(dòng)隨著葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)具有非常規(guī)律的流動(dòng)狀態(tài)，蝸殼內(nèi)和葉輪出口處波動(dòng)頻率與葉頻相同。Parron-Do-Gayo等[8]發(fā)現(xiàn)，葉輪和隔舌之間的動(dòng)靜干涉是引起蝸殼壓力脈動(dòng)峰值較大的主要原因。

瞿麗霞等[9]的研究得出：葉輪處的壓力脈動(dòng)主頻為葉頻；設(shè)計(jì)工況下，葉片出口處壓力脈動(dòng)峰值達(dá)到最大；在小流量運(yùn)行時(shí)，壓力脈動(dòng)幅值增大。柴立平等[10]研究了葉片不等間距排布對離心泵壓力脈動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)在1.5倍葉頻處的波峰與最小角間距有著緊密聯(lián)系，并且在最小角間距為56°時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，能量分布也更合理。

Huang 等[11]通過對離心泵進(jìn)行固液兩相流分析得出：葉輪內(nèi)的磨損集中在葉片前緣、工作面尾部與后蓋板交界以及背面后半段與前蓋板交界處；小流量工況下，葉輪前蓋板磨損量較大,隨著流量增大，葉輪葉片工作面和后蓋板磨損增加顯著。趙偉國等[12]對離心泵進(jìn)行了磨損研究，發(fā)現(xiàn)隨著沙粒體積分?jǐn)?shù)的增加，離心泵過流部件的磨損強(qiáng)度逐漸增大，磨損部位主要集中在葉片進(jìn)口邊、葉片背面、葉片工作面靠近葉片出口的位置以及蝸殼的第2斷面和第4斷面附近。

綜上，對于泵內(nèi)壓力脈動(dòng)的研究已取得了一些成果，但針對葉片磨損對泵正常運(yùn)行帶來的影響研究甚少，葉片磨損后壓力脈動(dòng)信號的變化以及根據(jù)壓力脈動(dòng)信號判斷葉片磨損的研究還需進(jìn)一步開展。本文運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對葉片磨損泵進(jìn)行分析，研究葉輪葉片磨損對SEC泵性能的影響，為進(jìn)一步預(yù)測葉片磨損誘發(fā)的壓力脈動(dòng)提供依據(jù)。

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

1.1 三維模型

SEC泵的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1、表2所示。

表1 設(shè)計(jì)工況參數(shù)

表2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

應(yīng)用三維軟件對SEC泵進(jìn)行三維建模，泵體由葉輪、進(jìn)水管、出水管、蝸殼、前腔和后腔組成，如圖1所示。

圖1 SEC泵三維造型

為了研究葉片磨損對泵的影響，本文對6個(gè)葉片中的一個(gè)進(jìn)行了5組不同程度的切割，如圖2所示。

圖2 葉片磨損圖

1.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)與網(wǎng)格劃分

為了減少網(wǎng)格數(shù)量同時(shí)確保精確度，葉輪和蝸殼采用尺寸較易控制的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，進(jìn)出口水體及前后腔水體采用質(zhì)量較高的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并對隔舌處進(jìn)行網(wǎng)格加密。為了排除網(wǎng)格數(shù)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)了7種方案進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，且每種方案的總體網(wǎng)格質(zhì)量均達(dá)到0.3以上，如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到520萬時(shí)，揚(yáng)程基本無變化，故選取第4套方案。網(wǎng)格數(shù)如表3所示。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

表3 各計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)

計(jì)算域網(wǎng)格如圖4所示，圖4（a）—（f）依次為進(jìn)口段、蝸殼、葉輪、出口段、后腔及前腔。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格劃分圖

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 基本控制方程

泵的工作介質(zhì)通常為絕熱和不可壓縮的流體，因此在對泵內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，不需要考慮能量方程[13]。涉及的控制方程有連續(xù)性方程和動(dòng)量方程（Navier-Stokes方程）[14]。

2.2 計(jì)算方法及邊界條件

通過CFX采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)出口邊界條件設(shè)置為壓力進(jìn)口，質(zhì)量流量出口，壁面采用無滑移設(shè)置[15]。對于非定常計(jì)算，設(shè)定葉輪每轉(zhuǎn)過4°需要的時(shí)間作為一個(gè)時(shí)間步長，葉輪旋轉(zhuǎn)一周需要90個(gè)時(shí)間步長。模型泵轉(zhuǎn)速為n=985 r/min，計(jì)算出時(shí)間步長為：t=6.76819×10-4s?？倳r(shí)間步長設(shè)定為450步，即葉輪共旋轉(zhuǎn)5個(gè)周期。每個(gè)時(shí)間步長的最大迭代次數(shù)限制為10步[16]。

3 結(jié)果與分析

3.1 葉片磨損對水力性能的影響

通過定常數(shù)值計(jì)算，得到不同程度葉片磨損泵的揚(yáng)程和效率曲線，如圖5和表4所示。

圖5 不同程度葉片磨損外特性對比

表4 設(shè)計(jì)工況性能對比

圖5給出了SEC泵不同葉片磨損的外特性對比?？梢钥闯觯弘S著流量增加，揚(yáng)程不斷下降，效率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢；當(dāng)磨損程度逐漸增大時(shí)，揚(yáng)程和效率都有所降低；小流量工況時(shí)，相較于完整葉片，當(dāng)磨損程度大于4/20時(shí)揚(yáng)程下降幅度較大，說明葉片磨損過多，已經(jīng)嚴(yán)重影響到葉輪內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)，能量損失較大；在大流量和設(shè)計(jì)工況下，整體揚(yáng)程曲線則相差不大，幾乎是重合的。因計(jì)算時(shí)忽略了摩擦損失等因素，所以模擬揚(yáng)程均大于設(shè)計(jì)揚(yáng)程。

由表4可知：相比葉片未磨損時(shí)，磨損5/20的揚(yáng)程下降1.2%；相比葉片未磨損時(shí)，磨損5/20的效率下降1.2%；當(dāng)磨損程度大于3/20時(shí)，效率下降幅度突然變大，從磨損3/20到磨損4/20，效率下降了0.8%。

3.2 內(nèi)流場分析

從圖6可以看出，葉輪流道內(nèi)的靜壓呈梯度變化。相比于未磨損，當(dāng)磨損程度大于2/20時(shí)，出現(xiàn)了深藍(lán)色低壓區(qū)。這是由于磨損程度增大葉片流道內(nèi)的高能量流體流動(dòng)變得紊亂，之后與葉輪其他流道的流體進(jìn)行混合，產(chǎn)生較大的能量損失，導(dǎo)致壓力降低，揚(yáng)程和效率也出現(xiàn)了下降。當(dāng)磨損程度大于4/20時(shí)，深藍(lán)色低壓區(qū)擴(kuò)散到了整個(gè)流道。這是由于磨損加劇，致使葉輪內(nèi)產(chǎn)生了回流旋渦等現(xiàn)象，使得整個(gè)葉輪內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變得較為紊亂。隨著磨損加劇，蝸殼流道距離隔舌較近處，橙色低壓區(qū)逐漸擴(kuò)大，說明隔舌的影響也越來越大。結(jié)合圖5泵的外特性曲線，正是因?yàn)槿~片磨損加劇，導(dǎo)致了葉輪中截面的壓力變化，讓低壓區(qū)擴(kuò)散到整個(gè)流道，最終導(dǎo)致?lián)P程和效率的降低。

圖6 設(shè)計(jì)工況下不同葉片磨損泵中截面靜壓分布云圖

從圖7中可以看出，隨著磨損程度的增大，葉輪中截面處的湍動(dòng)能分布越來越不均勻，而其湍動(dòng)能的不均勻性又可以從側(cè)面說明葉輪內(nèi)部的流動(dòng)、流動(dòng)分離以及脈動(dòng)擴(kuò)散程度的變化情況[17]。從圖中還可以看出，從葉片進(jìn)口到葉片出口湍動(dòng)能遞增，在葉片出口區(qū)域，湍動(dòng)能呈現(xiàn)先增后減趨勢。這主要是因?yàn)樵诔隹谔幜黧w分離成兩股，由于葉輪旋轉(zhuǎn)對流體做功，使其流動(dòng)趨于穩(wěn)定，流動(dòng)損失逐漸減小。從整體上看，隨著磨損增加，產(chǎn)生變化劇烈的湍流流動(dòng)，導(dǎo)致磨損葉片流道內(nèi)的湍動(dòng)能不斷增大，流體擾動(dòng)增強(qiáng)。為了保證流入蝸殼內(nèi)的流量保持不變，葉輪需做更多的功，導(dǎo)致軸功率上升效率降低。

圖7 設(shè)計(jì)工況下不同葉片磨損葉輪中截面湍動(dòng)能分布圖

3.3 壓力脈動(dòng)分析

采用3.2節(jié)的定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始文件，之后對標(biāo)準(zhǔn)工況下不同位置SEC泵內(nèi)壓力的變化進(jìn)行研究[18]。

3.3.1 壓力脈動(dòng)特征參數(shù)的確定

一般地，壓力脈動(dòng)頻率計(jì)算公式為

式中：n=985 r/min；Z=6；i=1，2，3，···，為諧波次數(shù)，當(dāng)i=1時(shí)，葉輪的轉(zhuǎn)頻為fn=n/60=16.42 Hz，葉頻為f=Z×fn=98.52 Hz。

3.3.2 壓力脈動(dòng)監(jiān)測點(diǎn)位置的設(shè)定

為準(zhǔn)確地反映SEC泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)特性，需要選擇合理的監(jiān)測點(diǎn)。結(jié)合3.2節(jié)對內(nèi)流場的分析，在蝸殼中間截面（X=0）內(nèi)選擇3個(gè)特別位置作為監(jiān)測點(diǎn)來分析壓力脈動(dòng)，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)位置分布

3.3.3 非定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

葉輪旋轉(zhuǎn)到第3圈時(shí)，泵內(nèi)的流動(dòng)就已穩(wěn)定。為了更準(zhǔn)確地反映流動(dòng)特性，選取第5圈的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理分析，并采用制圖軟件Origin完成數(shù)據(jù)的后處理工作。

1）標(biāo)準(zhǔn)工況下的壓力脈動(dòng)時(shí)域特性。

壓力值能直觀地反映出壓力大小，卻不能反映出規(guī)律特性等問題。為了分析其變化，將壓力進(jìn)行無量綱處理，得到壓力系數(shù)Cp[19]。定義如公式（2）和公式（3）所示。

式中：p為瞬時(shí)壓力；為平均壓力，Pa；ρ=998.2 kg/m3；u2為葉輪出口的圓周速度，m/s。

圖9為葉片不同程度磨損下3個(gè)檢測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)時(shí)域圖。從圖中可以看出：壓力脈動(dòng)周期性明顯，葉輪每旋轉(zhuǎn)一個(gè)周期呈現(xiàn)出6個(gè)波峰波谷，正好與葉輪葉片數(shù)相匹配；靠近隔舌處監(jiān)測點(diǎn)Y2的壓力脈動(dòng)能量較高，峰值較大。其原因是葉輪快速旋轉(zhuǎn)，蝸殼隔舌處會(huì)產(chǎn)生渦流、回流、動(dòng)靜干涉等影響流體流入蝸殼，導(dǎo)致此處流場隨葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)而變得不穩(wěn)定。

圖9 不同程度葉片磨損各監(jiān)測點(diǎn)壓力波動(dòng)時(shí)域圖

監(jiān)測點(diǎn)Y3位于遠(yuǎn)離隔舌的位置，此處只有葉輪旋轉(zhuǎn)帶來的影響，而旋轉(zhuǎn)到第5周期后流動(dòng)已經(jīng)穩(wěn)定，此處的流體流動(dòng)穩(wěn)定無大幅波動(dòng)的情況，因此該監(jiān)測點(diǎn)處峰值相對最小。針對同一點(diǎn)不同磨損程度來說，磨損程度越大壓力脈動(dòng)的波形越紊亂，并且偏離靜壓平均值也越多，這主要因?yàn)槟p使流動(dòng)狀態(tài)變得不穩(wěn)定。

2）標(biāo)準(zhǔn)工況下的壓力脈動(dòng)頻域特性。

將非定常計(jì)算得出的壓力數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換[20]得到各監(jiān)測點(diǎn)的頻域圖，如圖10所示。

由圖10可知，各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)最大峰值均出現(xiàn)在一倍葉頻處，這也驗(yàn)證了蝸殼內(nèi)的流動(dòng)主要受到葉輪旋轉(zhuǎn)的影響。隨著能量在蝸殼中傳遞并消耗，壓力脈動(dòng)幅值由大變小，在二倍葉頻后已趨于平緩。對比圖10（a）、（b）、（c）的峰值，各點(diǎn)壓力脈動(dòng)大小關(guān)系為Y2>Y1>Y3。這是因?yàn)槲仛さ慕Y(jié)構(gòu)是復(fù)雜的空間曲面體，型線為螺旋線，使得隔舌到蝸殼出口的空間逐漸變大，葉輪與蝸殼背面的距離越來越遠(yuǎn)，流體受到葉輪的影響也越來越小，流動(dòng)逐漸平緩，使得壓力波動(dòng)逐漸平穩(wěn)，故出現(xiàn)了圖10中的大小關(guān)系，而且受到渦流和水流的沖擊作用，蝸殼隔舌處出現(xiàn)振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起共振，造成不可挽回的損失；因此，Y1、Y3的壓力脈動(dòng)要小于Y2。又因?yàn)閅1在蝸殼出口附近，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離和回流等現(xiàn)象，使得該點(diǎn)的壓力脈動(dòng)幅值大于Y3。

圖10 不同程度葉片磨損各監(jiān)測點(diǎn)壓力波動(dòng)的頻域圖

針對同一點(diǎn)不同磨損程度來看，隨著磨損加劇，主頻處的幅值略微上升，但整體變化不大；軸頻16.42 Hz處的幅值僅次于主頻，且越來越高，說明軸頻開始占據(jù)主導(dǎo)地位。其原因是葉片發(fā)生了磨損，每轉(zhuǎn)1圈不再是6個(gè)相同的葉片經(jīng)過，而是有5個(gè)相同的葉片和1個(gè)磨損的葉片在跟隨軸頻轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而引起軸頻處的壓力脈動(dòng)。隨著磨損加劇，泵內(nèi)葉片磨損處的單流道內(nèi)產(chǎn)生漩渦，流動(dòng)變得復(fù)雜，使得軸頻處的壓力脈動(dòng)幅值增加，最終漩渦讓整個(gè)葉輪內(nèi)的流動(dòng)變得紊亂，葉頻處的壓力脈動(dòng)幅值也有所增加。

結(jié)合圖9和圖10可以得出，隨著葉片磨損的增加，蝸殼內(nèi)的壓力脈動(dòng)變得不穩(wěn)定，波動(dòng)加劇，進(jìn)而使得頻域圖中的峰值上升，最終導(dǎo)致?lián)P程效率的下降。

4 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬計(jì)算可知，隨著葉片磨損程度的增加，葉輪流道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)低壓區(qū)并開始擴(kuò)散，最終擴(kuò)散至整個(gè)流道內(nèi)，使得泵內(nèi)流場運(yùn)行不穩(wěn)定，湍動(dòng)能增加，揚(yáng)程、效率降低，磨損5/20時(shí)揚(yáng)程、效率均降低1.2%。

2）蝸殼處3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動(dòng)均呈現(xiàn)明顯的周期性，隔舌處由于葉輪旋轉(zhuǎn)帶來的動(dòng)靜干涉作用，使壓力變化最為強(qiáng)烈。隨著葉片磨損程度的增加，各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)波形越來越紊亂，偏離靜壓平均值也越多。

3）蝸殼里壓力波動(dòng)受葉頻影響最大，其次是軸頻，在葉頻、軸頻整數(shù)倍的低頻區(qū)，波動(dòng)能量較大，在高頻區(qū)，波動(dòng)能量急速衰減。隨著葉片磨損程度增加，主頻處幅值略微上升，軸頻處幅值僅次于主頻，而且越來越高，開始占據(jù)主導(dǎo)地位。

通過本文核電站重要廠用水泵葉片磨損的研究，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉片磨損故障，避免造成不良后果，保障核電安全。