多級(jí)離心泵多工況水力設(shè)計(jì)技術(shù)

多級(jí)離心泵多工況水力設(shè)計(jì)技術(shù)

能源的大力發(fā)展是中國(guó)的一項(xiàng)重要能源政策。2007年10月，國(guó)家發(fā)改委制定了《中長(zhǎng)期核電廠發(fā)展規(guī)劃》。2010年，中國(guó)核計(jì)劃?rùn)C(jī)主要為2.107g，到2020年可達(dá)4.107g。隨著我國(guó)核電站用戶(hù)的大規(guī)模發(fā)展，不同類(lèi)型的核電站用戶(hù)的需求不斷增加。上充泵是核電站最重要的動(dòng)力設(shè)備之一。它是故障損失管理系統(tǒng)和環(huán)境質(zhì)量控制的重要組成部分。這是核安全部門(mén)的第二個(gè)重要因素。目前，我國(guó)百萬(wàn)千瓦級(jí)核電站的離心式水泵全部依賴(lài)于進(jìn)口。節(jié)水設(shè)計(jì)是限制上充泵定量分析的重要因素。上充泵的傳輸范圍大，泵的總壓頭高，工作量小，這給上充泵的水設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。上充泵屬于離心低速泵，葉片和傳染源的流量范圍有限，并且d-b2和d-b3的比很大，因此很難設(shè)計(jì)流量構(gòu)件。此外，上充泵還需要在多個(gè)流量場(chǎng)景中工作，其周長(zhǎng)范圍明顯超過(guò)一般離心式泵的范圍，尤其是小流量要求的范圍。在這種低比旋轉(zhuǎn)的離心條件下，很難設(shè)計(jì)。文中通過(guò)建立多級(jí)離心泵的多工況水力設(shè)計(jì)理論,并將該理論應(yīng)用于對(duì)核電站離心式上充泵的水力設(shè)計(jì)實(shí)踐中,旨在為核泵水力設(shè)計(jì)提供參考.1導(dǎo)葉泵非設(shè)計(jì)工況查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),關(guān)于離心泵多工況水力設(shè)計(jì)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道,但有許多學(xué)者做了與多工況水力設(shè)計(jì)相近的研究工作,主要包括離心泵在非設(shè)計(jì)工況下性能預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬和PIV測(cè)試等.Neumann從泵內(nèi)流動(dòng)損失分析出發(fā),建立了水力設(shè)計(jì)參數(shù)與通流部件幾何參數(shù)之間的關(guān)系.李世煌將Neumann的方法推廣到所有葉片泵,按流體通過(guò)所有通流部件的各項(xiàng)損失綜合為最低的優(yōu)化原則,提出了非設(shè)計(jì)工況的修正措施和步驟.袁壽其針對(duì)低比轉(zhuǎn)速離心泵效率、駝峰和過(guò)載等問(wèn)題,對(duì)各種不同設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析,給出了不同方法的設(shè)計(jì)系數(shù)和選擇范圍.Joseph采用火箭低溫工程用泵中的平均線(xiàn)設(shè)計(jì)法,開(kāi)發(fā)出一種泵的非設(shè)計(jì)工況性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)PUMPA,可以對(duì)軸流泵、混流泵、離心泵以及多級(jí)泵的非設(shè)計(jì)工況進(jìn)行預(yù)測(cè).Sun等采用CFD技術(shù)對(duì)導(dǎo)葉泵的非設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了性能預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比十分接近,為泵非設(shè)計(jì)工況的性能預(yù)測(cè)提供一種新思路.Cheah等采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)離心泵內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行研究,葉輪有6個(gè)扭曲葉片,研究工況有設(shè)計(jì)工況QBEP和非設(shè)計(jì)工況(0.43QBEP,1.45QBEP),研究結(jié)果顯示在設(shè)計(jì)工況葉輪內(nèi)部流動(dòng)光滑,在非設(shè)計(jì)工況出現(xiàn)了流動(dòng)分離現(xiàn)象.WangHong等采用渦方法對(duì)導(dǎo)葉泵非設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示在0.83QBEP工況時(shí)葉片壓力面附近出現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)間隔氣泡,同時(shí)給出解釋,說(shuō)明這種不對(duì)稱(chēng)間隔氣泡是造成非設(shè)計(jì)工況不穩(wěn)定的重要原因.Wuibaut等對(duì)離心泵設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況下的葉輪和導(dǎo)葉相互作用對(duì)出口速度分布影響進(jìn)行了PIV測(cè)試研究,測(cè)試葉輪采用SHF葉輪,測(cè)試結(jié)果表明,在非設(shè)計(jì)工況下,泵內(nèi)動(dòng)靜耦合作用及泵的特性表現(xiàn)得較為顯著.2機(jī)械密封冷卻水核電站上充泵在核島一回路內(nèi)功能復(fù)雜,采用臥式多級(jí)雙層殼體離心泵結(jié)構(gòu),具有流量小、揚(yáng)程高、轉(zhuǎn)速高的特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)核島一回路絕對(duì)壓力高于0.3MPa時(shí),上充泵必須運(yùn)行.上充泵的功能主要有:①反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)為一回路補(bǔ)充含有硼酸的上充水,穩(wěn)定回路系統(tǒng)壓力在15.5MPa,上充流量為10.15m3/h;②向3臺(tái)主泵提供流量為5.4m3/h的機(jī)械密封冷卻水,保證主泵機(jī)械密封正常工作,阻止主泵內(nèi)有輻射的一回路水外泄;③當(dāng)一回路出現(xiàn)如破口等失水事故時(shí),上充泵在高壓安注工況運(yùn)行,將反應(yīng)堆換料水箱中的高濃度硼酸水注入一回路,以控制反應(yīng)性.當(dāng)出現(xiàn)換料水箱低水位時(shí),安注自動(dòng)轉(zhuǎn)入再循環(huán)階段.為避免上充泵運(yùn)行不穩(wěn)定及脈動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生,要求上充泵在全流量范圍內(nèi)具有向右下方傾斜的H-Q曲線(xiàn),在關(guān)死點(diǎn)附近的H-Q曲線(xiàn)不得有駝峰形狀,要能高精度地達(dá)到5個(gè)特定工況點(diǎn)的水力性能及其他附加要求,尤其是要求泵在小流量運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生不穩(wěn)定區(qū)(即所謂的無(wú)駝峰),同時(shí)又達(dá)到較高的效率和較低的汽蝕余量.上充泵多工況點(diǎn)水力性能參數(shù)要求見(jiàn)表1.3多段離心和多段水的設(shè)計(jì)理論離心式上充泵的多工況水力設(shè)計(jì)理論分別從多種葉輪優(yōu)化組合方案確定和葉輪多工況水力設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行研究.3.1葉輪水力模型設(shè)計(jì)通常多級(jí)離心泵各級(jí)過(guò)流部件均采用相同的一種水力模型,若需要改善泵的汽蝕性能,則可采用兩種水力模型組合的設(shè)計(jì)方案,即首級(jí)與其余各級(jí)幾何參數(shù)不同.為保證兩種水力模型都在高效區(qū)工作,要求兩種水力模型最佳工況點(diǎn)流量相同或相近.由于上充泵具有陡降的H-Q曲線(xiàn),對(duì)多個(gè)工況點(diǎn)性能要求嚴(yán)格,需同時(shí)滿(mǎn)足5個(gè)工況點(diǎn)要求.同時(shí)上充泵P-Q曲線(xiàn)還有無(wú)過(guò)載特點(diǎn),最高效率點(diǎn)流量Q=110m3/h,揚(yáng)程H=1250m,轉(zhuǎn)速n=4500r/min,效率η=60%.若按普通多級(jí)離心泵采用首級(jí)和次級(jí)兩種水力模型則難以滿(mǎn)足規(guī)定的多工況點(diǎn)要求.根據(jù)多級(jí)泵的串聯(lián)疊加理論,在多級(jí)泵設(shè)計(jì)中采用3種以上葉輪水力模型組合的方式,通過(guò)對(duì)水力模型和葉輪數(shù)適當(dāng)匹配,可以實(shí)現(xiàn)改變和調(diào)整H-Q曲線(xiàn),得到所需要的H-Q曲線(xiàn).上充泵水力設(shè)計(jì)中采用3種以上水力模型組合,通過(guò)適當(dāng)調(diào)整,可以得到滿(mǎn)足上充泵5個(gè)工況點(diǎn)的H-Q曲線(xiàn).本研究設(shè)計(jì)上充泵結(jié)構(gòu)為臥式多級(jí)雙殼體結(jié)構(gòu),葉輪共12級(jí),1-4級(jí)葉輪正向布置,吸入口朝向電動(dòng)機(jī),5-12級(jí)葉輪反向布置,正向葉輪軸向力與軸端高壓水作用力之和,與反向葉輪軸向力相平衡,正反葉輪之間的液流由導(dǎo)葉上的內(nèi)流道相連.葉輪水力模型采用3種設(shè)計(jì)方案:方案1為首級(jí)葉輪,共1級(jí);方案2為2-4級(jí)葉輪,共3級(jí);方案3為5-12級(jí)葉輪,共8級(jí).方案1按2個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì),并考慮汽蝕性能,葉輪吸入口最大;方案2按3個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì),兼顧效率,葉輪吸入口適中;方案3按5個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì),調(diào)節(jié)揚(yáng)程,葉輪吸入口最小.通過(guò)3種方案組合,最終達(dá)到所要求的5個(gè)工況點(diǎn)性能.3.2速度和沖擊系數(shù)u由葉片泵基本方程可知,葉片泵理論流量與實(shí)際揚(yáng)程的關(guān)系式為Η=1g[u2(σu2-QtA2cotβ2)-u1(u1-QtA1cotβ′1)]-hf-hj?(1)H=1g[u2(σu2?QtA2cotβ2)?u1(u1?QtA1cotβ′1)]?hf?hj?(1)式中hf為摩擦、擴(kuò)散和彎曲損失,hf=kfQ2t;hj為沖擊損失,hj=kj(QBET-Q)2;σ為滑移系數(shù),σ=1-πsinβ2zσ=1?πsinβ2z;Qt為理論流量;Q為實(shí)際流量;QBET為最高效率點(diǎn)流量;u1為葉片進(jìn)口圓周速度,u1=D1πn60;u2為葉片出口圓周速度,u2=D2πn60;A1為葉片進(jìn)口有效過(guò)水?dāng)嗝娣e,A1=πD1b1ψ1;A2為葉片出口有效過(guò)水?dāng)嗝娣e,A2=πD2b2ψ2;D1為葉輪進(jìn)口直徑;D2為葉輪出口直徑;b1為葉片進(jìn)口寬度;b2為葉片出口寬度;ψ1為葉片進(jìn)口排擠系數(shù),ψ1=1-zSu1D1π;ψ2為葉片出口排擠系數(shù),ψ2=1-zSu2D2π;Su1為葉片進(jìn)口圓周厚度;Su2為葉片出口圓周厚度;β′1為葉片進(jìn)口相對(duì)液流角;β2為葉片出口安放角;kf為摩擦、擴(kuò)散和彎曲損失系數(shù);kj為沖擊損失系數(shù);n為轉(zhuǎn)速;z為葉片數(shù).式(1)建立了實(shí)際揚(yáng)程與理論流量的關(guān)系,利用理論流量與實(shí)際流量關(guān)系式Qt=Qηv,(2)可以得出實(shí)際揚(yáng)程與實(shí)際流量關(guān)系式Η=1g[u2(σu2-Q/ηvA2cotβ2)-u1(u1-Q/ηvA1cotβ′1)]-hf-hj.(3)式(3)中含有多個(gè)未知幾何參數(shù),同時(shí)對(duì)這些幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,即可實(shí)現(xiàn)多工況水力設(shè)計(jì).進(jìn)行幾何參數(shù)調(diào)整時(shí)需要注意的是,n通常由用戶(hù)限定,Su1可根據(jù)材料強(qiáng)度選定最小值,D1由軸徑和輪轂直徑確定,β′1由進(jìn)口反導(dǎo)葉出口角及葉輪進(jìn)口角確定,對(duì)參數(shù)D2,b1,b2,Su2,β2,z的確定可參考文獻(xiàn),參數(shù)kf,kj與吸水室、葉輪及壓水室關(guān)系密切,可參考文獻(xiàn).根據(jù)上述分析,葉輪多工況水力設(shè)計(jì)思路如下:(1)由給定的多個(gè)工況點(diǎn)可以擬合得到所要求的性能曲線(xiàn),以用來(lái)判別設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿(mǎn)足要求;(2)編制式(3)的計(jì)算程序,以實(shí)現(xiàn)方便快捷地對(duì)多個(gè)幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié);(3)調(diào)整幾何參數(shù),使設(shè)計(jì)曲線(xiàn)與要求的曲線(xiàn)接近,達(dá)到設(shè)計(jì)要求;(4)檢查軸功率及效率是否達(dá)到要求,若沒(méi)有達(dá)到要求,則重新進(jìn)行調(diào)節(jié),直至達(dá)到要求為止.4在核電站上充泵的多場(chǎng)景水設(shè)計(jì)實(shí)踐中4.13葉片水模型的性能曲線(xiàn)根據(jù)葉輪組合基本思路,將上充泵性能曲線(xiàn)進(jìn)行分解,得到所需要設(shè)計(jì)的3種葉輪水力模型的參數(shù)如表2所示,性能曲線(xiàn)如圖2所示.4.2葉輪尺寸設(shè)計(jì)首級(jí)葉輪水力設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮汽蝕性能并兼顧2個(gè)工況點(diǎn),即上充工況額定流量34m3/h和最大流量160m3/h.根據(jù)上充工況額定流量確定葉輪出口寬度,根據(jù)最大流量確定葉輪進(jìn)口直徑,葉輪外徑采用與另外兩種葉輪方案中的外徑相同.為保證汽蝕性能,首級(jí)葉輪的葉片數(shù)z取小值,由葉輪材料確定Su1,由泵軸材料確定泵軸直徑,由軸鍵高度和輪轂強(qiáng)度確定葉輪輪轂直徑Dh.根據(jù)泵最大流量工況(Q=160m3/h)的汽蝕余量要求NPSHR=7.8m,又知泵轉(zhuǎn)速n=4500r/min,可知泵最大流量工況的汽蝕比轉(zhuǎn)數(shù)C=5.62n√QΝΡSΗR34=1142,在高汽蝕性能區(qū)間Cv=1000～1600范圍內(nèi).為進(jìn)一步改善汽蝕性能,需加大首級(jí)葉輪進(jìn)口直徑Dj,Dj按最大流量設(shè)計(jì),葉輪出口寬度b2按上充工況額定流量34m3/h確定,即可利用式(3)調(diào)節(jié)其他幾何參數(shù),直至達(dá)到圖2中首級(jí)葉輪的性能曲線(xiàn)要求.4.32葉輪揚(yáng)程控制參數(shù)葉輪2-4級(jí)按3個(gè)工況點(diǎn)設(shè)計(jì),兼顧效率.3個(gè)工況點(diǎn)分別選為關(guān)死工況、34m3/h工況和最大流量工況.葉片數(shù)需取小值,以控制揚(yáng)程曲線(xiàn),由關(guān)死揚(yáng)程確定葉輪外徑D2和葉片出口安放角β2.通過(guò)調(diào)整其他幾何參數(shù),由式(3)可以得到圖2中要求的2-4級(jí)葉輪性能曲線(xiàn).4.45葉輪性能分析葉輪5-12級(jí)按5個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行水力設(shè)計(jì),主要調(diào)節(jié)揚(yáng)程.5個(gè)工況點(diǎn)分別選為關(guān)死工況、34m3/h工況、110m3/h工況、148m3/h工況和最大流量工況.由關(guān)死揚(yáng)程確定葉輪外徑D2和葉片出口安放角β2.通過(guò)調(diào)整其他幾何參數(shù),由式(3)可以得到圖3中要求的5-12級(jí)葉輪性能曲線(xiàn).4.5葉輪水力模型驗(yàn)證試驗(yàn)為保證設(shè)計(jì)結(jié)果的可靠性,對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值模擬優(yōu)化,直到結(jié)果與規(guī)定值趨于一致.按上述思路設(shè)計(jì)出核電站上充泵3種葉輪水力模型,制造4級(jí)葉輪水力模型樣機(jī),4級(jí)葉輪包括方案1的首級(jí)葉輪1個(gè),方案2的葉輪1個(gè),方案3的葉輪2個(gè),進(jìn)行水力模型驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=2950r/min,試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)相似換算到n=4500r/min后與所要求性能曲線(xiàn)對(duì)比,如圖4所示.由圖4可以看出,對(duì)所要求的5個(gè)工況點(diǎn),設(shè)計(jì)的樣機(jī)有4個(gè)滿(mǎn)足要求,誤差范圍小于2.6%,僅在最大流量工況點(diǎn)揚(yáng)程偏低,低于規(guī)定值11.8%.5水力設(shè)計(jì)要求采用多葉輪優(yōu)化組合設(shè)計(jì)方案與多工況設(shè)計(jì)相結(jié)合技術(shù),對(duì)核電站上充泵進(jìn)行了多工況水力設(shè)計(jì),得到結(jié)論如下:(1)一