? ? ? ?近年來隨著電力事業(yè)的快速發(fā)展大容量高參數(shù)機(jī)組得到普遍應(yīng)用,對疏水泵提出了更高的要求。由于電廠工作條件惡劣,要求有良好的汽蝕性能。抗汽蝕性能設(shè)計有多種方法如加裝誘導(dǎo)輪或使用耐汽蝕材料等,但效果最好且簡單易行的方法仍然是從葉輪的設(shè)計方面入手改善吸人性能以提高汽蝕性能。本文通過對四種不同葉片布置形式葉輪內(nèi)部流場計算達(dá)到改善汽蝕性能優(yōu)化設(shè)計的目的為高抗汽蝕性能疏水泵的設(shè)計提供一種新的思路。

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? ? ? ?1、改善汽蝕性能的設(shè)計方案

? ? ? ?1.1長短葉片設(shè)計

? ? ? ?在離心泵葉輪內(nèi)部要完成流體動力學(xué)過程,因而它是承受汽蝕最多的元件。葉輪進(jìn)口的結(jié)構(gòu)參數(shù)對離心泵的汽蝕性能有著決定性影響,特別是葉輪進(jìn)口直徑和葉片的數(shù)目形狀進(jìn)口邊的尺寸及布置位置參數(shù)選擇尤為重要。通常寬敞的葉輪進(jìn)口流道對離心泵的汽蝕性能是有利的據(jù)這一思想葉輪采用長短葉片布置形式,將含有偶數(shù)葉片數(shù)的離心泵葉輪設(shè)計為長短葉片間隔的方式,通過調(diào)整葉片進(jìn)口處幾何形狀,增大了葉輪喉部的過流面積,從而降低葉輪喉部的液體相對速度,使葉片進(jìn)口的壓降系數(shù)減
小起到提高汽蝕性能的作用。

? ? ? ?1.2短葉片偏置

? ? ? ?將短葉片進(jìn)口邊適當(dāng)向長葉片背面偏移,以此來改善葉輪及泵體內(nèi)的水力性能。短葉片偏置后在離心葉輪內(nèi)由于逆向壓力梯度的作用,使壁面邊界層從進(jìn)口到出口不斷增厚在離心力和哥氏力的作用下產(chǎn)生二次流。短葉片向長葉片負(fù)壓面偏置能有效的阻止二次流的產(chǎn)生和發(fā)展同時由于長短葉片組成的流道變短擴(kuò)散現(xiàn)象減小不易產(chǎn)生二次流和形成尾流區(qū)。

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? ? ? ?2、計算模型

? ? ? ?傳統(tǒng)疏水泵通常采用圓柱葉片的設(shè)計形式,近年來的研究表明,空間扭曲葉片在改善汽蝕性能方面效果更為有效,在葉輪設(shè)計中應(yīng)用日益廣泛。為使計算具有代表性本文采用的計算模型也采用空間扭曲葉片。根據(jù)以往研究結(jié)果,當(dāng)短葉片進(jìn)口直徑過大時會導(dǎo)致效率和揚(yáng)程急劇下降因此本文短葉片計算只在影響效率和揚(yáng)程變化很小的范圍內(nèi)的四種模型。三個長短葉片計算模型和一個等長葉片計算模型。四種計算模型計算參數(shù)均為轉(zhuǎn)速n=2900min,流量Q28mh,揚(yáng)程90m,比轉(zhuǎn)速n=342,葉片數(shù)z6短葉片幾何參數(shù)見下表

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? ? ? ?3、計算過程及結(jié)果分析

? ? ? ?由于疏水泵的葉片包角大扭曲嚴(yán)重,幾何形狀復(fù)雜所以網(wǎng)格劃分時采用適用性強(qiáng)對具有復(fù)雜邊界模型特別有效的非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格。在PrOENGINEER下生成葉輪流道三維實(shí)體模型,導(dǎo)入 GAMBIT20下進(jìn)行網(wǎng)格劃分,壁面采用三角形網(wǎng)格計算區(qū)域內(nèi)采用四面體網(wǎng)格。采用商業(yè)CFD軟件 FLUENT6進(jìn)行計算假設(shè)葉輪內(nèi)部流動為穩(wěn)態(tài)、不可壓流動?？紤]Boussinesq渦粘性假設(shè),在湍流充分發(fā)展的湍流核心區(qū),采用適應(yīng)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)流和帶彎曲壁面流的RNGκ湍流模型。在流動情況變化很大近壁區(qū)域特別是粘性底層湍流應(yīng)力幾乎不起作用。采用基于半經(jīng)驗(yàn)公式的壁面函數(shù)法,在壁面區(qū)不進(jìn)行求解,而是將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)的求解變量直接聯(lián)系起來,得到與壁面相鄰控制體積的節(jié)點(diǎn)變量值。穩(wěn)定狀態(tài)葉輪以恒定的角速度旋轉(zhuǎn),建立與葉輪同步旋轉(zhuǎn)且與軸線重合的旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系(xy2),將直角坐標(biāo)系(xy)固定在葉輪上并繞z軸以恒定角速度旋轉(zhuǎn)?？紤]各物理量在相鄰節(jié)點(diǎn)間分布曲線的曲率影響,采用壓強(qiáng)連接的隱式修正 SIMPLEC算法,應(yīng)用二階迎風(fēng)差分格式分離對流項(xiàng)。計算結(jié)果見表2。

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? ? ? ?制造長短葉片形式低比速離心泵一臺,在機(jī)被工業(yè)排灌機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(鎮(zhèn)江)進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。表3為長短葉片汽蝕性能試驗(yàn)曲線,從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,長短葉片的設(shè)計具有較好的汽蝕性能試驗(yàn)實(shí)測汽蝕余量054m,與常規(guī)長葉片方案相比將葉輪設(shè)計長短葉片間隔形式后,由于葉輪喉部的葉片相對疏散,過流面積相對較大液流在喉部的相對速度WK變小即泵的汽蝕。

? ? ? ?由長短葉片泵試驗(yàn)的性能曲線(表4)可以看到長短葉片的設(shè)計并沒有使泵在大流量點(diǎn)的量揚(yáng)程和效率發(fā)生大的改變,即流量揚(yáng)程曲線、流量-軸功率曲線、流量效率曲線在大流量點(diǎn)沒有發(fā)生陡降而流量汽蝕曲線仍趨于平緩能夠達(dá)到安全穩(wěn)定運(yùn)行的目的。

? ? ? ?4、結(jié)論

? ? ? ?本次應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計的長短葉片形式葉輪疏水泵在諫壁電廠低加回?zé)嵯到y(tǒng)中已應(yīng)用近兩年汽蝕性能良好,表明在疏水泵葉輪設(shè)計時通過調(diào)整短葉片進(jìn)口形狀及位置結(jié)合CFD技術(shù)對不同葉片形式的葉輪分別進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬能夠較好地了解其葉輪內(nèi)部流場分布獲得繞葉片水流的運(yùn)動狀態(tài)。彌補(bǔ)了試驗(yàn)方法在抗汽蝕性能設(shè)計中設(shè)計周期長和費(fèi)用高的不足,對提高疏水泵的汽蝕性能有一定的作用。