热力发电厂疏水泵提高改善汽蚀性能的方法

近年来随着电力事业的快速发展大容量高参数机组得到普遍应用,对疏水泵提出了更高的要求。由于电厂工作条件恶劣,要求有良好的汽蚀性能。抗汽蚀性能设计有多种方法如加装诱导轮或使用耐汽蚀材料等,但效果最好且简单易行的方法仍然是从叶轮的设计方面入手改善吸人性能以提高汽蚀性能。本文通过对四种不同叶片布置形式叶轮内部流场计算达到改善汽蚀性能优化设计的目的为高抗汽蚀性能疏水泵的设计提供一种新的思路。

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1、改善汽蚀性能的设计方案

1.1长短叶片设计

在离心泵叶轮内部要完成流体动力学过程,因而它是承受汽蚀最多的元件。叶轮进口的结构参数对离心泵的汽蚀性能有着决定性影响,特别是叶轮进口直径和叶片的数目形状进口边的尺寸及布置位置参数选择尤为重要。通常宽敞的叶轮进口流道对离心泵的汽蚀性能是有利的据这一思想叶轮采用长短叶片布置形式,将含有偶数叶片数的离心泵叶轮设计为长短叶片间隔的方式,通过调整叶片进口处几何形状,增大了叶轮喉部的过流面积,从而降低叶轮喉部的液体相对速度,使叶片进口的压降系数减
小起到提高汽蚀性能的作用。

1.2短叶片偏置

将短叶片进口边适当向长叶片背面偏移,以此来改善叶轮及泵体内的水力性能。短叶片偏置后在离心叶轮内由于逆向压力梯度的作用,使壁面边界层从进口到出口不断增厚在离心力和哥氏力的作用下产生二次流。短叶片向长叶片负压面偏置能有效的阻止二次流的产生和发展同时由于长短叶片组成的流道变短扩散现象减小不易产生二次流和形成尾流区。

2、计算模型

传统疏水泵通常采用圆柱叶片的设计形式,近年来的研究表明,空间扭曲叶片在改善汽蚀性能方面效果更为有效,在叶轮设计中应用日益广泛。为使计算具有代表性本文采用的计算模型也采用空间扭曲叶片。根据以往研究结果,当短叶片进口直径过大时会导致效率和扬程急剧下降因此本文短叶片计算只在影响效率和扬程变化很小的范围内的四种模型。三个长短叶片计算模型和一个等长叶片计算模型。四种计算模型计算参数均为转速n=2900min,流量Q28mh,扬程90m,比转速n=342,叶片数z6短叶片几何参数见下表

3、计算过程及结果分析

由于疏水泵的叶片包角大扭曲严重,几何形状复杂所以网格划分时采用适用性强对具有复杂边界模型特别有效的非结构化混合网格。在PrOENGINEER下生成叶轮流道三维实体模型,导入 GAMBIT20下进行网格划分,壁面采用三角形网格计算区域内采用四面体网格。采用商业CFD软件 FLUENT6进行计算假设叶轮内部流动为稳态、不可压流动。考虑Boussinesq涡粘性假设,在湍流充分发展的湍流核心区,采用适应强旋转流和带弯曲壁面流的RNGκ湍流模型。在流动情况变化很大近壁区域特别是粘性底层湍流应力几乎不起作用。采用基于半经验公式的壁面函数法,在壁面区不进行求解,而是将壁面上的物理量与湍流核心区的求解变量直接联系起来,得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。稳定状态叶轮以恒定的角速度旋转,建立与叶轮同步旋转且与轴线重合的旋转直角坐标系(xy2),将直角坐标系(xy)固定在叶轮上并绕z轴以恒定角速度旋转。考虑各物理量在相邻节点间分布曲线的曲率影响,采用压强连接的隐式修正 SIMPLEC算法,应用二阶迎风差分格式分离对流项。计算结果见表2。

制造长短叶片形式低比速离心泵一台,在机被工业排灌机械产品质量检测中心(镇江)进行各项性能试验。表3为长短叶片汽蚀性能试验曲线,从试验结果可以看出,长短叶片的设计具有较好的汽蚀性能试验实测汽蚀余量054m,与常规长叶片方案相比将叶轮设计长短叶片间隔形式后,由于叶轮喉部的叶片相对疏散,过流面积相对较大液流在喉部的相对速度WK变小即泵的汽蚀。

由长短叶片泵试验的性能曲线(表4)可以看到长短叶片的设计并没有使泵在大流量点的量扬程和效率发生大的改变,即流量扬程曲线、流量-轴功率曲线、流量效率曲线在大流量点没有发生陡降而流量汽蚀曲线仍趋于平缓能够达到安全稳定运行的目的。

4、结论

本次应用CFD技术设计的长短叶片形式叶轮疏水泵在谏壁电厂低加回热系统中已应用近两年汽蚀性能良好,表明在疏水泵叶轮设计时通过调整短叶片进口形状及位置结合CFD技术对不同叶片形式的叶轮分别进行三维湍流数值模拟能够较好地了解其叶轮内部流场分布获得绕叶片水流的运动状态。弥补了试验方法在抗汽蚀性能设计中设计周期长和费用高的不足,对提高疏水泵的汽蚀性能有一定的作用。