超临界锅炉给水泵双吸叶轮性能分析

超临界锅炉给水泵双吸叶轮性能分析

1高压锅炉给水泵随着数值模拟技术和计算机科学的快速发展，大规模建成的ifd软件对旋转水机流场的计算越来越受到重视，这是未来旋转水机研究的重点和重点。在大容量(600～1000MW)、高参数(超临界、超超临界)火电机组中,高压锅炉给水泵是保证电厂安全、高效运行的主要辅机。由于高压给水泵具有高温、高压、高转速、高可靠性的特点,所以对于泵的结构设计、水力设计、强度、材料、冷热工艺、质量控制、试验等都有高严的技术要求,所以国际上通常把高压锅炉给水泵的技术水平视为该国泵类产品最高技术水平的标志。目前对高压锅炉给水泵过流件的流动特性还需作进一步的研究。本文通过对高压锅炉给水泵叶轮内部流场进行分析,获得了流场静压分布和速度分布规律与性能参数之间的内在关系,为高压锅炉给水泵的水力设计及性能优化提供了参考依据。2计算方法和设备计算2.1叶片运动方程采用时均不可压缩N-S方程描述锅炉给水泵内部三维流动,质量守衡方程和动量方程可写成下列形式:式中,x,y,z为固定在叶轮上的相对笛卡尔坐标,叶轮以角速度ω绕z轴旋转,E,F,G和S分别为列向量,表达式为:式中u,v,w——x,y,z方向的速度分量ρ——流体密度2.2对内流内流特性的影响采用RNGk-ε湍流模型封闭时均N-S方程组,它的基本思想是将湍流看成是受随机力驱动的输运过程,通过频谱分析方法消去其中小尺度的涡,并把其影响归并到涡粘性中;在层流底层,湍流粘性系数等于分子粘性,超出这个区域后,湍流粘性成倍增加。大量研究资料证明,在高雷诺数情况下,采用RNGk-ε湍流对求解有较大曲率和易脱流的离心泵内部流动,有较好的适应性。RNGk-ε湍流模型与标准k-ε模型形式相同,但模型中5个系数则完全由理论分析得出。其方程形式为:式中pr——湍动能生成率其中η=S·k/ε,2.3泵的运行工况(1)进口和出口边界条件:分别按压力进口和压力出口条件给定,从而可灵活地模拟泵的不同运行工况,实现不同流量和扬程的组合。(2)固壁条件:泵的叶轮为固壁,壁面速度满足无滑移条件;近壁区雷诺数很低,湍流模型不再适用,采用标准壁面函数处理近壁流动。2.4叶轮结构参数m超临界高压锅炉给水泵主要参数为:设计流量1132m3/h,设计扬程3128m,转速为5500r/min,设计点效率84%,要求扬程曲线平坦,级数5级。首级叶轮主要结构参数:叶轮直径为307mm,叶片数为5枚,叶片进口呈扭曲状,叶片出口宽度7mm,叶轮进口直径为47.2mm。叶轮结构及计算网格如图1所示。3叶轮特性分析分别对60%、80%、100%、110%、120%QN共5个工况点进行了数值计算,通过对计算结果的处理,得到了叶轮的外特性曲线以及内部流场结构。3.1外特性曲线图叶轮性能主要表现在其外特性曲线上,外特性曲线如图2所示,从外特性曲线图中可以看出,所设计的首级叶轮扬程、效率曲线变化平稳,符合设计要求。3.2流场分布的影响计算了60%、80%、100%、110%、120%、130%QN共6个工况下的流场,此处仅取出设计工况点进行分析。图3为设计工况点叶片压力面与吸力面的静压分布图。从静压分布图可以得到以下结论:(1)从叶片进口到出口,叶轮流道的流体静压呈逐渐增大的趋势,在叶轮出口附近,叶片压力面出现高压区,从图中可以看出中间隔板的存在对流场压力分布产生较大影响;随着流量增大,出口高压区压力逐渐减小。(2)叶片吸力面进口附近有低压区存在,且随流量增大,压力值减小,这与现有的理论分析一致,即汽蚀一般发生在此处,流量增大时,汽蚀更易发生。(3)叶片进口靠近两侧盖板处压力高于中间隔板处压力,所以此处有回流产生,并且偏离设计工况时,更为严重,说明进口存在冲击损失。图4为设计工况下叶轮轴垂面上的静压分布,从图中可以看到叶片进口附近的低压区。从图中也可以看出,叶轮内的流动并不完全对称。3.3流区内部流区叶设计工况时,叶轮压力面和吸力面速度分布如图5所示。由图可知,叶轮流道内相对速度分布从进口到出口逐渐增大,叶片压力面速度值小于吸力面速度值,每个流道内部速度分布比较均匀。图6和图7分别为Q/QN=0.6和Q/QN=1.2工况下叶轮压力面和吸力面速度分布图,其中,左侧为压力面,右侧为吸力面。由图可知,当Q/QN=0.6和Q/QN=1.2时叶轮流道内出现轴向旋涡,进出口均有回流区存在,说明此时水力损失变大。叶轮进口回流区一般发生在叶片背面附近,而叶轮出口回流区一般发生在叶片工作面附近。回流严重影响了叶轮流道的流动特性,使叶轮流道内部流量分布很不均匀,使叶轮的汽蚀性能和力学性能变坏,而且使整个泵的水力性能变差。4锅炉给水泵叶轮性能对超临界高压锅炉给水泵首级双吸叶轮内部流场进行了数值模拟,分别从外特性及内部流场结构两方面对叶轮性能进行了分析,得出如下结论:1)所设计的锅炉给水泵首级叶轮效率曲线平坦,高效区较宽,符合设计要求。2)在设计工况下,双吸叶轮内部流场压力分布和速度分布较为均匀,水力损失较小;偏离设计工况时,由于轴向旋涡以及进出口回流区的存