杨从新,齐亚楠,黎义斌,王秀勇

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州　730050;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃 兰州　730050)



导叶叶片出口角对核主泵性能的影响

杨从新1,2,齐亚楠1,黎义斌1,2,王秀勇1,2

(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院,甘肃 兰州730050;2.甘肃省流体机械及系统重点实验室,甘肃 兰州730050)

摘要以核反应堆冷却剂泵为研究对象,探讨导叶叶片出口角对核主泵性能的影响。首先选取三个核主泵,在只改变导叶叶片出口角的情况下,构建新的导叶和核主泵,通过数值模拟预测核主泵性能,并分析导叶叶片出口角变化前后核主泵性能参数及内部流场的分布情况。结果显示:对于所选取的三个核主泵,当导叶叶片出口角减小后,核主泵的效率最低提高0.66%,扬程最低上升0.15 m。其次,采用方格网保角变换法设计导叶叶片骨线时,相对于骨线的形状,叶片出口角对核主泵性能的影响更大;但是在方格网中,当叶片骨线为直线时,导叶内部的压力和速度比叶片骨线为曲线时变化更加均匀。另外,导叶可以将流体动能转化为压力能,同时又起着导流作用将从叶轮流出的液体导入蜗壳,但是导叶提供给蜗壳的流体的参数对核主泵性能参数的影响更大,为导叶的后续研究提供了参考依据。

关键词核主泵;导叶;出口角;数值模拟

目前,对核主泵导叶的探讨涉及到导叶对核主泵空化性能的影响[1]、扭曲导叶和直导叶对核主泵性能的对比[2,3]、导叶进口边位置的探讨[2,4,5]以及导叶内部压力脉动的研究[6]。但是对核主泵导叶出口角的研究较少,所以我们以核主泵的模型泵为研究对象,在保持核主泵其余几何参数不变的情况下,只改变导叶叶片出口角,并建立数值模型预测其性能来探讨导叶叶片出口角对核主泵性能的影响。核反应堆冷却剂泵(简称核主泵)是核电站的重要组成部件,主要由进口段、叶轮、导叶、压出室、出口段构成,如图1所示。

1数学模型

由于核主泵的原型尺寸大、对计算机要求高、试验周期长,所以根据相似换算准则,选取缩比系数为λ的模型泵为研究对象,将原型泵的设计参数按照相似定律[7]换算后得到模型泵在设计工况下的运行参数(见表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:M为模型泵参数,下角标P为原型泵参数;D为泵的几何尺寸(m);n为泵的转速(r/min);Q为泵的体积流量(m3/h);H为泵的扬程(m)。

根据表1中的额定参数,首先建立初步的模型泵,其几何尺寸如表2所列。忽略容积损失和机械损失后,通过数值模拟预测初步模型泵的性能,所得性能参数如下:流量QVM=2 705 m3/h,扬程HM=32.18 m,转速n=1 480 r/min,效率ηM=84.61%,说明初步设计的模型泵满足设计要求。

为了减弱单个模型泵带来的独特性,在初步设计的模型泵基础上,保持进水段、叶轮、压出室、出水段不变,根据一元理论设计了A1、B1和C1三种导叶,且导叶出口角均为36°。当只将上述导叶的出

口角从36°调整为29°时,就形成了新的导叶A2、B2和C2。图2和图3所示为导叶主要的水力设计图,其中叶片绘型采用方格网保角变换法,具体步骤参照文献[7]。结合图2和图3在软件Pro/E的帮助下可以得到6个导叶的三维模型。

当模型泵的进水段、叶轮、压出室、出水段不变且分别与6种导叶搭配时,构成了6个新的模型泵。为方便简述,记与导叶A1组合而构成的模型泵为模型泵A1,其余类似。

2数值计算方法

为预测模型泵性能,应用Fluent软件对6个模型泵进行定常数值模拟,相应参数设置如下:在选用连续方程和动量方程联合求解的基础上,选用RNG κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,并用二阶迎风格式离散基本方程组。在边界条件设置中,进口设置为速度进口,出口设置为自由岀流,壁面设置为无滑移壁面。此外,动静之间的耦合采用多重参考系(MRF,multiple reference frome),计算的收敛精度设置为10-4。

数值模拟的前提是将连续空间点转化为离散的空间点,所以在对所有模型泵进行数值计算之前还需对模型泵进行网格的划分,并验证网格数对计算结果的敏感度。对网格数在603.8×104、1 141×104及1 537.9×104的模型泵进行了数值模拟,发现效率最大误差为设计效率的0.9%,扬程最大误差为设计扬程的0.65%。综合考虑后确定模型泵网格数应在1 100×104以上。

3结果分析

通过数值模拟来预测6个模型泵在设计工况下的运行情况,并分别对比分析三组模型泵A、B、C内外性能参数的变化。

3.1外性能分析

在设计工况下,6个模型泵A1、A2、B1、B2、C1、C2的外性能参数如图4所示。相对于出口角为36°的三种导叶A1/B1/C1,当只将导叶出口角减小为29°即形成新的导叶A2、B2、C2时,模型泵A2、B2、C2的扬程最低上升0.15 m,效率最低提高0.66%;蜗壳的水力损失下降;模型泵A2、B2、 C2中导叶内的水力损失变化不一。

总体来看,导叶叶片出口角的减小有利于提高模型泵设计工况下的外性能参数。这是因为对于任意一组模型泵来说,当保持导叶其余几何参数一致,只改变导叶叶片出口角时,导叶的骨线也会发生变化,从而影响流体的流动状态;其次,由速度三角形知,导叶叶片出口角的改变会直接影响进入蜗壳的流体速度,从而改变过流部件内的水力损失。

3.2内性能分析

为方便描述导叶的内部流场,首先引入以下两个变量:

叶轮出口到导叶出口线段的相对位置为

(5)

其中:N为叶轮出口到导叶出口的流道线段的平均长度(m);n为垂直于此流道线段的面与线段的交点到叶轮出口的距离(m)。

压力系数:

(6)

其中:P为静压(Pa);ρ为介质密度(kg/m3);v为介质绝对速度(m/s)。所使用的压力均为参考压力。

为进一步分析模型泵外特性产生的原因,图5展示了过流部件内面平均参数从叶轮出口到导叶出口的变化情况。图5中n′=0.1附近参数的不规律变化是由于此面为导叶叶片进口边所在的空间曲面,导叶叶片进口会受到来流的冲击使流动更加不稳定,从而造成部分参数不同程度的波动。

首先,相较于叶轮出口处的面平均参数,可以知道导叶出口处的压力更高,速度更低,压力系数更高,这就说明导叶可以进行流体动能与压力能之间的转换。其次,分别比较A、B、C三组导叶叶片出口角变化前后参数的变化情况可知,导叶出口角减小后,在导叶出口处面平均参数中,压力系数减小,流体速度增大,导叶A2内流体的压力增大,导叶B2、C2内流体的压力减小,即导叶B2、C2将流体动能转换为压力能的能力减弱。导叶中心平面上的流线分布见图6。由图6可知,导叶出口角减小后,导叶出口中心平面上的流线分布相对来说更加平滑。所以,结合图5和图6可知,对于核主泵来说,相对于能量的转换,导叶为蜗壳提供的来流参数对核主泵性能的影响更大,导叶出口角处流体的参数对模型泵的性能更加重要。

此外,结合图3～图5分析叶片骨线形式和叶片出口角对核主泵性能影响的重要程度。由图3知,导叶A2和导叶C1在方格网中的流线为直线,其余导叶的流线均为样条曲线。结合图5中A、C两组导叶内参数变化趋势知,导叶A2和导叶C1内压力和速度的变化相对于导叶A1和C2来说,变化更加均匀,所以导致导叶C2内部的水力损失增加。再结合图4中A、C两组模型泵中扬程、效率、蜗壳水力损失及导叶水力损失的变化,可以说明在采用方格网保角变换法绘制叶片骨线时,导叶叶片骨线的直曲形式对模型核主泵整体性能的影响小于导叶叶片出口角对核主泵性能的影响。

4结论

为了研究导叶叶片出口角对核主泵性能的影响,选取了三组导叶,减弱了结论的特殊性。通过定常数值模拟对模型泵的运行状况进行了预测,通过比较分析模型泵的预测结果,在研究范围内得到以下结论:

(1)采用方格网保角变换法设计导叶叶片骨线时,相对于骨线的形状,叶片出口角对核主泵性能的影响更大;但是,当叶片骨线为直线时,导叶内部的压力和速度比叶片骨线为曲线时变化更加均匀;

(2)导叶可以将流体动能转化为压力能,同时又起着导流作用将从叶轮流出的液体导入蜗壳,但是导叶提供给蜗壳的流体的参数对核主泵性能参数的影响更大;

(3)导叶出口角减小后,核主泵的效率最低提高了0.66%,扬程最低上升0.15 m,为导叶的进一步研究提供了参考依据。

参考文献:

[1]陆鹏波.高温高压混流泵空化及其对泵结构设计影响分析[D].大连:大连理工大学,2012.

[2]单玉娇.基于CFD的1 000 MW级核主泵水力模型模化计算方法研究[D].大连:大连理工大学,2010.

[3]秦杰,徐士鸣.导叶结构对核主泵性能的影响[J].发电设备,2010,24(5):315-318.

[4]沈飞.AP1000核主泵高效水力模型设计与性能研究[D].大连:大连理工大学,2012.

[5]王春林,彭娜,赵佰通,等.核主泵模型泵导叶进口边相对位置对泵性能的影响[J].排灌机械,2008,26(5):38-41.

[6]朱荣生,郑宝义,李小龙.1 000 MW级核主泵内部非定常流动特性[J].热能动力工程,2012,27(3):377-382.

[7]关醒凡.现代泵理论与设计[M].北京:中国宇航出版社,2011.[8]Claus Knierim,Sven Baumgarten,Jochen Fritz,et al.Design Pr-ocess for an Advanced Reactor Coolant Pump for a 1 400 MW Nuclear Power Plant[C]//Proceeding of FEDSM2005:2005ASME Fluids Engineering Divisions Summer Meeting and Exhibition,Houston,2005.[9]Zhang Ye,Wang Xiaofang,Zhao Guang,et al.Numerical Analysis of Pressure Fluctuations Caused by Impeller-Diffuser Interaction in a Mixed Flow Reactor Coolant Pump[C]//Power and Energy Engineering Conference (APPEEC),Asia-Pacific,2011.

[10]马希金,雷盛,刘高博,等.不同静叶出口角下油气混输泵内部三维流场的数值模拟[J].甘肃科学学报,2011,23(2):127-130.

Influence of Outlet Angle of Guide Vane on Performance of Nuclear Main Pump

Yang Congxin1,2,Qi Yanan1,Li Yibin1,2,Wang Xiuyong1,2

(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Key Laboratory of Fluid machinery and Systems of Gansu Province,Lanzhou 730050,China)

Key wordsNuclear main pump;Guide vane;Outlet angle;Numerical simulation

AbstractThe influence of outlet angle of guide vane on performance of nuclear main pump is discussed by taking reactor coolant pump.First,choose three nuclear main pumps,and build new guide vanes and nuclear main pumps under the circumstance of only changing outlet angle of guide vane,then analyze distribution of performance parameters and inner flow field before and after the changes of outlet angle of guide vane.The results indicate that when outlet angle of guide vane in the three nuclear main pump chosen decreases,the lowest increase of efficiency of nuclear main pump is 0.66%,and the lowest lift is 0.15 m.Second,outlet angle of guide vane has a bigger influence on performance of nuclear main pump than shapes of bone line when designing bone line of guide vane by conformal mapping method of grid square.However,the change of inner pressure and speed of guide vane is more well-distributed when bone line of guide vane is curve rather than straight in grid square.Besides,guide vane can transfer fluid dynamic energy to pressure energy and guide liquid from vane wheel to volute as as liquid guiding role as well.Whereas the latter that is parameter of fluid to volute from guide vane has a bigger influence on performance parameter of nuclear main pump,which provides a reference for the further research on guide vane.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.03.011.

收稿日期:2015-03-09;修回日期:2015-03-25.

基金项目:国家自然科学基金(51369015).

作者简介:杨从新(1964-),男,陕西兴平人,博士,教授,博导,研究方向为核主泵内部流动特性及设计方法.E-mail:ycxwind@163.com. 通讯作者:齐亚楠.E-mail:382007194@qq.com.

中图分类号:TK72

文献标志码:A

文章编号:1004-0366(2016)03-0049-05

引用格式:Yang Congxin,Qi Yanan,Li Yibin,et al.Influence of Outlet Angle of Guide Vane on Performance of Nuclear Main Pump[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(3):49-53.[杨从新,齐亚楠,黎义斌,等.导叶叶片出口角对核主泵性能的影响[J].甘肃科学学报,2016,28(3):49-53.]