楊從新,齊亞楠,黎義斌,王秀勇

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院,甘肅 蘭州　730050;2.甘肅省流體機械及系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州　730050)

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導葉葉片出口角對核主泵性能的影響

楊從新1,2,齊亞楠1,黎義斌1,2,王秀勇1,2

(1.蘭州理工大學 能源與動力工程學院,甘肅 蘭州730050;2.甘肅省流體機械及系統(tǒng)重點實驗室,甘肅 蘭州730050)

摘要以核反應(yīng)堆冷卻劑泵為研究對象,探討導葉葉片出口角對核主泵性能的影響。首先選取三個核主泵,在只改變導葉葉片出口角的情況下,構(gòu)建新的導葉和核主泵,通過數(shù)值模擬預(yù)測核主泵性能,并分析導葉葉片出口角變化前后核主泵性能參數(shù)及內(nèi)部流場的分布情況。結(jié)果顯示:對于所選取的三個核主泵,當導葉葉片出口角減小后,核主泵的效率最低提高0.66%,揚程最低上升0.15 m。其次,采用方格網(wǎng)保角變換法設(shè)計導葉葉片骨線時,相對于骨線的形狀,葉片出口角對核主泵性能的影響更大;但是在方格網(wǎng)中,當葉片骨線為直線時,導葉內(nèi)部的壓力和速度比葉片骨線為曲線時變化更加均勻。另外,導葉可以將流體動能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時又起著導流作用將從葉輪流出的液體導入蝸殼,但是導葉提供給蝸殼的流體的參數(shù)對核主泵性能參數(shù)的影響更大,為導葉的后續(xù)研究提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞核主泵;導葉;出口角;數(shù)值模擬

目前,對核主泵導葉的探討涉及到導葉對核主泵空化性能的影響[1]、扭曲導葉和直導葉對核主泵性能的對比[2,3]、導葉進口邊位置的探討[2,4,5]以及導葉內(nèi)部壓力脈動的研究[6]。但是對核主泵導葉出口角的研究較少,所以我們以核主泵的模型泵為研究對象,在保持核主泵其余幾何參數(shù)不變的情況下,只改變導葉葉片出口角,并建立數(shù)值模型預(yù)測其性能來探討導葉葉片出口角對核主泵性能的影響。核反應(yīng)堆冷卻劑泵(簡稱核主泵)是核電站的重要組成部件,主要由進口段、葉輪、導葉、壓出室、出口段構(gòu)成,如圖1所示。

1數(shù)學模型

由于核主泵的原型尺寸大、對計算機要求高、試驗周期長,所以根據(jù)相似換算準則,選取縮比系數(shù)為λ的模型泵為研究對象,將原型泵的設(shè)計參數(shù)按照相似定律[7]換算后得到模型泵在設(shè)計工況下的運行參數(shù)(見表1)。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:M為模型泵參數(shù),下角標P為原型泵參數(shù);D為泵的幾何尺寸(m);n為泵的轉(zhuǎn)速(r/min);Q為泵的體積流量(m3/h);H為泵的揚程(m)。

根據(jù)表1中的額定參數(shù),首先建立初步的模型泵,其幾何尺寸如表2所列。忽略容積損失和機械損失后,通過數(shù)值模擬預(yù)測初步模型泵的性能,所得性能參數(shù)如下:流量QVM=2 705 m3/h,揚程HM=32.18 m,轉(zhuǎn)速n=1 480 r/min,效率ηM=84.61%,說明初步設(shè)計的模型泵滿足設(shè)計要求。

為了減弱單個模型泵帶來的獨特性,在初步設(shè)計的模型泵基礎(chǔ)上,保持進水段、葉輪、壓出室、出水段不變,根據(jù)一元理論設(shè)計了A1、B1和C1三種導葉,且導葉出口角均為36°。當只將上述導葉的出

口角從36°調(diào)整為29°時,就形成了新的導葉A2、B2和C2。圖2和圖3所示為導葉主要的水力設(shè)計圖,其中葉片繪型采用方格網(wǎng)保角變換法,具體步驟參照文獻[7]。結(jié)合圖2和圖3在軟件Pro/E的幫助下可以得到6個導葉的三維模型。

當模型泵的進水段、葉輪、壓出室、出水段不變且分別與6種導葉搭配時,構(gòu)成了6個新的模型泵。為方便簡述,記與導葉A1組合而構(gòu)成的模型泵為模型泵A1,其余類似。

2數(shù)值計算方法

為預(yù)測模型泵性能,應(yīng)用Fluent軟件對6個模型泵進行定常數(shù)值模擬,相應(yīng)參數(shù)設(shè)置如下:在選用連續(xù)方程和動量方程聯(lián)合求解的基礎(chǔ)上,選用RNG κ-ε湍流模型和SIMPLEC算法,并用二階迎風格式離散基本方程組。在邊界條件設(shè)置中,進口設(shè)置為速度進口,出口設(shè)置為自由岀流,壁面設(shè)置為無滑移壁面。此外,動靜之間的耦合采用多重參考系(MRF,multiple reference frome),計算的收斂精度設(shè)置為10-4。

數(shù)值模擬的前提是將連續(xù)空間點轉(zhuǎn)化為離散的空間點,所以在對所有模型泵進行數(shù)值計算之前還需對模型泵進行網(wǎng)格的劃分,并驗證網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的敏感度。對網(wǎng)格數(shù)在603.8×104、1 141×104及1 537.9×104的模型泵進行了數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)效率最大誤差為設(shè)計效率的0.9%,揚程最大誤差為設(shè)計揚程的0.65%。綜合考慮后確定模型泵網(wǎng)格數(shù)應(yīng)在1 100×104以上。

3結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬來預(yù)測6個模型泵在設(shè)計工況下的運行情況,并分別對比分析三組模型泵A、B、C內(nèi)外性能參數(shù)的變化。

3.1外性能分析

在設(shè)計工況下,6個模型泵A1、A2、B1、B2、C1、C2的外性能參數(shù)如圖4所示。相對于出口角為36°的三種導葉A1/B1/C1,當只將導葉出口角減小為29°即形成新的導葉A2、B2、C2時,模型泵A2、B2、C2的揚程最低上升0.15 m,效率最低提高0.66%;蝸殼的水力損失下降;模型泵A2、B2、 C2中導葉內(nèi)的水力損失變化不一。

總體來看,導葉葉片出口角的減小有利于提高模型泵設(shè)計工況下的外性能參數(shù)。這是因為對于任意一組模型泵來說,當保持導葉其余幾何參數(shù)一致,只改變導葉葉片出口角時,導葉的骨線也會發(fā)生變化,從而影響流體的流動狀態(tài);其次,由速度三角形知,導葉葉片出口角的改變會直接影響進入蝸殼的流體速度,從而改變過流部件內(nèi)的水力損失。

3.2內(nèi)性能分析

為方便描述導葉的內(nèi)部流場,首先引入以下兩個變量:

葉輪出口到導葉出口線段的相對位置為

(5)

其中:N為葉輪出口到導葉出口的流道線段的平均長度(m);n為垂直于此流道線段的面與線段的交點到葉輪出口的距離(m)。

壓力系數(shù):

(6)

其中:P為靜壓(Pa);ρ為介質(zhì)密度(kg/m3);v為介質(zhì)絕對速度(m/s)。所使用的壓力均為參考壓力。

為進一步分析模型泵外特性產(chǎn)生的原因,圖5展示了過流部件內(nèi)面平均參數(shù)從葉輪出口到導葉出口的變化情況。圖5中n′=0.1附近參數(shù)的不規(guī)律變化是由于此面為導葉葉片進口邊所在的空間曲面,導葉葉片進口會受到來流的沖擊使流動更加不穩(wěn)定,從而造成部分參數(shù)不同程度的波動。

首先,相較于葉輪出口處的面平均參數(shù),可以知道導葉出口處的壓力更高,速度更低,壓力系數(shù)更高,這就說明導葉可以進行流體動能與壓力能之間的轉(zhuǎn)換。其次,分別比較A、B、C三組導葉葉片出口角變化前后參數(shù)的變化情況可知,導葉出口角減小后,在導葉出口處面平均參數(shù)中,壓力系數(shù)減小,流體速度增大,導葉A2內(nèi)流體的壓力增大,導葉B2、C2內(nèi)流體的壓力減小,即導葉B2、C2將流體動能轉(zhuǎn)換為壓力能的能力減弱。導葉中心平面上的流線分布見圖6。由圖6可知,導葉出口角減小后,導葉出口中心平面上的流線分布相對來說更加平滑。所以,結(jié)合圖5和圖6可知,對于核主泵來說,相對于能量的轉(zhuǎn)換,導葉為蝸殼提供的來流參數(shù)對核主泵性能的影響更大,導葉出口角處流體的參數(shù)對模型泵的性能更加重要。

此外,結(jié)合圖3～圖5分析葉片骨線形式和葉片出口角對核主泵性能影響的重要程度。由圖3知,導葉A2和導葉C1在方格網(wǎng)中的流線為直線,其余導葉的流線均為樣條曲線。結(jié)合圖5中A、C兩組導葉內(nèi)參數(shù)變化趨勢知,導葉A2和導葉C1內(nèi)壓力和速度的變化相對于導葉A1和C2來說,變化更加均勻,所以導致導葉C2內(nèi)部的水力損失增加。再結(jié)合圖4中A、C兩組模型泵中揚程、效率、蝸殼水力損失及導葉水力損失的變化,可以說明在采用方格網(wǎng)保角變換法繪制葉片骨線時,導葉葉片骨線的直曲形式對模型核主泵整體性能的影響小于導葉葉片出口角對核主泵性能的影響。

4結(jié)論

為了研究導葉葉片出口角對核主泵性能的影響,選取了三組導葉,減弱了結(jié)論的特殊性。通過定常數(shù)值模擬對模型泵的運行狀況進行了預(yù)測,通過比較分析模型泵的預(yù)測結(jié)果,在研究范圍內(nèi)得到以下結(jié)論:

(1)采用方格網(wǎng)保角變換法設(shè)計導葉葉片骨線時,相對于骨線的形狀,葉片出口角對核主泵性能的影響更大;但是,當葉片骨線為直線時,導葉內(nèi)部的壓力和速度比葉片骨線為曲線時變化更加均勻;

(2)導葉可以將流體動能轉(zhuǎn)化為壓力能,同時又起著導流作用將從葉輪流出的液體導入蝸殼,但是導葉提供給蝸殼的流體的參數(shù)對核主泵性能參數(shù)的影響更大;

(3)導葉出口角減小后,核主泵的效率最低提高了0.66%,揚程最低上升0.15 m,為導葉的進一步研究提供了參考依據(jù)。

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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.

基金項目:國家自然科學基金(51369015).

作者簡介:楊從新(1964-),男,陜西興平人,博士,教授,博導,研究方向為核主泵內(nèi)部流動特性及設(shè)計方法.E-mail:ycxwind@163.com. 通訊作者:齊亞楠.E-mail:382007194@qq.com.

中圖分類號:TK72

文獻標志碼:A

文章編號: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.[楊從新,齊亞楠,黎義斌,等.導葉葉片出口角對核主泵性能的影響[J].甘肅科學學報,2016,28(3):49-53.]