超臨界鍋爐給水泵雙吸葉輪性能分析

超臨界鍋爐給水泵雙吸葉輪性能分析

1高壓鍋爐給水泵隨著數(shù)值模擬技術(shù)和計算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，大規(guī)模建成的ifd軟件對旋轉(zhuǎn)水機(jī)流場的計算越來越受到重視，這是未來旋轉(zhuǎn)水機(jī)研究的重點和重點。在大容量(600～1000MW)、高參數(shù)(超臨界、超超臨界)火電機(jī)組中,高壓鍋爐給水泵是保證電廠安全、高效運(yùn)行的主要輔機(jī)。由于高壓給水泵具有高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速、高可靠性的特點,所以對于泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計、水力設(shè)計、強(qiáng)度、材料、冷熱工藝、質(zhì)量控制、試驗等都有高嚴(yán)的技術(shù)要求,所以國際上通常把高壓鍋爐給水泵的技術(shù)水平視為該國泵類產(chǎn)品最高技術(shù)水平的標(biāo)志。目前對高壓鍋爐給水泵過流件的流動特性還需作進(jìn)一步的研究。本文通過對高壓鍋爐給水泵葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行分析,獲得了流場靜壓分布和速度分布規(guī)律與性能參數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系,為高壓鍋爐給水泵的水力設(shè)計及性能優(yōu)化提供了參考依據(jù)。2計算方法和設(shè)備計算2.1葉片運(yùn)動方程采用時均不可壓縮N-S方程描述鍋爐給水泵內(nèi)部三維流動,質(zhì)量守衡方程和動量方程可寫成下列形式:式中,x,y,z為固定在葉輪上的相對笛卡爾坐標(biāo),葉輪以角速度ω繞z軸旋轉(zhuǎn),E,F,G和S分別為列向量,表達(dá)式為:式中u,v,w——x,y,z方向的速度分量ρ——流體密度2.2對內(nèi)流內(nèi)流特性的影響采用RNGk-ε湍流模型封閉時均N-S方程組,它的基本思想是將湍流看成是受隨機(jī)力驅(qū)動的輸運(yùn)過程,通過頻譜分析方法消去其中小尺度的渦,并把其影響歸并到渦粘性中;在層流底層,湍流粘性系數(shù)等于分子粘性,超出這個區(qū)域后,湍流粘性成倍增加。大量研究資料證明,在高雷諾數(shù)情況下,采用RNGk-ε湍流對求解有較大曲率和易脫流的離心泵內(nèi)部流動,有較好的適應(yīng)性。RNGk-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型形式相同,但模型中5個系數(shù)則完全由理論分析得出。其方程形式為:式中pr——湍動能生成率其中η=S·k/ε,2.3泵的運(yùn)行工況(1)進(jìn)口和出口邊界條件:分別按壓力進(jìn)口和壓力出口條件給定,從而可靈活地模擬泵的不同運(yùn)行工況,實現(xiàn)不同流量和揚(yáng)程的組合。(2)固壁條件:泵的葉輪為固壁,壁面速度滿足無滑移條件;近壁區(qū)雷諾數(shù)很低,湍流模型不再適用,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁流動。2.4葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)m超臨界高壓鍋爐給水泵主要參數(shù)為:設(shè)計流量1132m3/h,設(shè)計揚(yáng)程3128m,轉(zhuǎn)速為5500r/min,設(shè)計點效率84%,要求揚(yáng)程曲線平坦,級數(shù)5級。首級葉輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù):葉輪直徑為307mm,葉片數(shù)為5枚,葉片進(jìn)口呈扭曲狀,葉片出口寬度7mm,葉輪進(jìn)口直徑為47.2mm。葉輪結(jié)構(gòu)及計算網(wǎng)格如圖1所示。3葉輪特性分析分別對60%、80%、100%、110%、120%QN共5個工況點進(jìn)行了數(shù)值計算,通過對計算結(jié)果的處理,得到了葉輪的外特性曲線以及內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。3.1外特性曲線圖葉輪性能主要表現(xiàn)在其外特性曲線上,外特性曲線如圖2所示,從外特性曲線圖中可以看出,所設(shè)計的首級葉輪揚(yáng)程、效率曲線變化平穩(wěn),符合設(shè)計要求。3.2流場分布的影響計算了60%、80%、100%、110%、120%、130%QN共6個工況下的流場,此處僅取出設(shè)計工況點進(jìn)行分析。圖3為設(shè)計工況點葉片壓力面與吸力面的靜壓分布圖。從靜壓分布圖可以得到以下結(jié)論:(1)從葉片進(jìn)口到出口,葉輪流道的流體靜壓呈逐漸增大的趨勢,在葉輪出口附近,葉片壓力面出現(xiàn)高壓區(qū),從圖中可以看出中間隔板的存在對流場壓力分布產(chǎn)生較大影響;隨著流量增大,出口高壓區(qū)壓力逐漸減小。(2)葉片吸力面進(jìn)口附近有低壓區(qū)存在,且隨流量增大,壓力值減小,這與現(xiàn)有的理論分析一致,即汽蝕一般發(fā)生在此處,流量增大時,汽蝕更易發(fā)生。(3)葉片進(jìn)口靠近兩側(cè)蓋板處壓力高于中間隔板處壓力,所以此處有回流產(chǎn)生,并且偏離設(shè)計工況時,更為嚴(yán)重,說明進(jìn)口存在沖擊損失。圖4為設(shè)計工況下葉輪軸垂面上的靜壓分布,從圖中可以看到葉片進(jìn)口附近的低壓區(qū)。從圖中也可以看出,葉輪內(nèi)的流動并不完全對稱。3.3流區(qū)內(nèi)部流區(qū)葉設(shè)計工況時,葉輪壓力面和吸力面速度分布如圖5所示。由圖可知,葉輪流道內(nèi)相對速度分布從進(jìn)口到出口逐漸增大,葉片壓力面速度值小于吸力面速度值,每個流道內(nèi)部速度分布比較均勻。圖6和圖7分別為Q/QN=0.6和Q/QN=1.2工況下葉輪壓力面和吸力面速度分布圖,其中,左側(cè)為壓力面,右側(cè)為吸力面。由圖可知,當(dāng)Q/QN=0.6和Q/QN=1.2時葉輪流道內(nèi)出現(xiàn)軸向旋渦,進(jìn)出口均有回流區(qū)存在,說明此時水力損失變大。葉輪進(jìn)口回流區(qū)一般發(fā)生在葉片背面附近,而葉輪出口回流區(qū)一般發(fā)生在葉片工作面附近。回流嚴(yán)重影響了葉輪流道的流動特性,使葉輪流道內(nèi)部流量分布很不均勻,使葉輪的汽蝕性能和力學(xué)性能變壞,而且使整個泵的水力性能變差。4鍋爐給水泵葉輪性能對超臨界高壓鍋爐給水泵首級雙吸葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別從外特性及內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)兩方面對葉輪性能進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論:1)所設(shè)計的鍋爐給水泵首級葉輪效率曲線平坦,高效區(qū)較寬,符合設(shè)計要求。2)在設(shè)計工況下,雙吸葉輪內(nèi)部流場壓力分布和速度分布較為均勻,水力損失較小;偏離設(shè)計工況時,由于軸向旋渦以及進(jìn)出口回流區(qū)的存