混流式核主泵导叶

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(江苏大学能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013)

摘要: 为了研究导叶与壳体之间沿轴向和周向的位置关系对匹配球型壳体的混流式核主泵水力性能的影响,获得最优水力特性下导叶与壳体之间的匹配位置,以比转数ns为390的混流式核主泵水力模型为研究对象,基于雷诺时均方程和RNG k-ε湍流模型,对其内部流动进行三维全流道数值模拟．结果表明,随着两者之间匹配位置的变化,泵水力性能及内部流动情况也随之变化．在沿泵轴方向上,当导叶出口中心线与壳体出口段中心线相距1/4导叶出口宽度时,泵水力效率提高0.6%;在沿导叶出口圆周方向,导叶叶片出口边与壳体对称轴面重合时,泵水力性能及内部流动情况最优,泵水力效率提高近0.8%．研究结果为混流式核主泵的水力设计及优化和泵内部流动的主动控制提供有益参考．

关键词: 混流泵;球型壳体;导叶位置;内部流动;数值模拟

杨敏官, 王达, 高波, 等. 混流式核主泵导叶-壳体匹配水力特性[J]. 排灌机械工程学报,2016,34(2):110-114.

YANG Minguan, WANG Da, GAO Bo, et al. Influences of guide vane-casing volute positions on performance of nuclear reactor coolant pump[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(2):110-114.(in Chinese)

numerical simulation

核反应堆冷却剂循环泵(又称核主泵),是核电站核岛一回路中重要的承压工作部件．为保证其在持续高效运行时的安全性,混流式核主泵大多采用混流式叶轮与径向导叶,匹配球型或准球型壳体的设计结构．虽然球型壳体构造简单,但不同于常见蜗壳、空间导叶,壳体内的流动情况异常复杂,如内部回流、二次流动、旋涡等,这也是匹配球型壳体的混流式核主泵水力效率较蜗壳式混流泵偏低的主要原因．

关于泵内部流动与泵水力性能的研究,通过模拟手段获得内部流动的压力、流线、速度等流动特征分布情况相当有效[1]．KIM等[2]、JIN等[3]采用数值模拟对混流泵水力部件进行优化,得到最佳的内部流动和较高水力效率．BING等[4]研究在设计工况下,不同叶轮流道形状对流动状态的影响．导叶结构以及压水室出口收缩管形状、收缩角的不同,对其内部流动的影响也十分明显[5]．秦杰等[6]应用强制旋涡法和速度系数法设计了主泵叶轮和环形压水室，设计出扭曲叶片和扩散叶片两种形式导叶，并模拟了过流部件内部主要特征.张栋俊等[7]的研究表明，在相同流量下，圆锥形出流管比圆柱形出流管具有更好的流动特性，并且合适的锥度范围可以提高核主泵的性能参数.朱荣生等[8]通过自主设计主泵过流部件，对整泵段进行定常与非定常数值模拟，获得了出口收缩角对泵水力性能的影响.除了各水力部件单独设计对泵水力效率有直接影响,水力部件间不同的位置匹配关系,如压水室收缩管的位置、导叶与叶轮间隙大小等对泵内部流动的影响也十分显著[9-10]．

文中通过对不可压缩流体采用定常数值模拟的方法,分别对导叶和壳体在不同的轴向和周向位置下进行三维全流道数值计算分析,得到不同方案下的内部流动情况,并依据能量损失和内流分析,获得导叶、壳体之间理想的位置匹配关系,为混流式核主泵水力性能的优化提供参考．

1　模型建立与方案设计

1.1　模型建立

选择ns=390的混流式核主泵的水力部件模型,确定以混流式叶轮(4叶片)、径向导叶(12叶片)和球型壳体的研究方案．其主要设计参数：流量为848 m3/h,扬程为12.7 m,转速为1 480 r/min,主要水力部件的实体三维模型如图1所示．

图1　主要水力部件三维模型图

Fig.1　3D model of main hydraulic parts

1.2　匹配方案

为了解此设计参数下球型壳体与径向导叶之间不同的位置匹配关系对泵内部流动情况和水力性能的影响,分别以两者的轴向匹配关系和沿导叶出口圆周方向的匹配关系作为主要研究内容,如图2所示．

图2　方案设计图

Fig.2　Designing scheme

首先,将壳体出口段中心线和导叶出口中心线之间距离记为Δb,并规定壳体出口中心线在右侧为“+”．令x=Δb/b4,其中b4为导叶出口宽度,设计5种轴向位置匹配方案,分别为x=0.50,0.25,0,-0.25,-0.50．其次,在沿导叶出口圆周方向上,从泵进口方向看,将径向导叶绕泵轴顺时针旋转过一定几何角度θ．当其叶片出口边位于壳体对称轴面上时,记为几何夹角0°,每旋转5°为一个方案,取6个周向位置匹配方案．

2　网格划分与计算方法

2.1　计算方法

假定泵内部流动为常温清水不可压缩的定常流动,流体重力不计,叶轮绕进口中心轴线以恒定角速度ω转动．数值模拟采用连续方程、三维定常不可压雷诺时均N-S方程,并以RNG k-ε湍流模型使方程封闭．文中采用有限体积法离散控制方程,各项均采用一阶迎风格式,压力与速度的耦合通过SIMPLE算法．进出口分别取速度进口边界条件(velocity-inlet)和压力出口边界条件(pressure-outlet)．叶轮处采用旋转壁面无滑移边界条件,进出口管、导叶和壳体采用静止壁面无滑移边界条件．

2.2　网格划分

采用Gamit网格划分软件对混流式核主泵模型进行非结构四面体网格划分,经过网格无关性验证,为兼顾结果准确性与节省计算资源,每套方案总网格数约为400万,如图3所示，图中ηh为总水力效率，H为扬程．

图3　网格无关性验证

Fig.3　Grid independence verification

试验和模拟的效率对比如图4所示，图中，Q为实际流量，Qd为设计流量．由图可以看出,在此网格数基础上,与试验数据相比,模拟得到的结果要略高于试验结果,在设计工况点和最优工况点处的差值分别为3.4%和3.7%．这是由于模拟时并未考虑到实际加工误差和加工表面粗糙度等,而这些都会使得模拟结果与实际测量值不同．同时,可以看出混流式核主泵水力效率的模拟曲线与试验曲线在整个模拟测量范围内趋势相同．结合以上2点,认为模拟采用的网格质量已经能够满足要求．

图4　试验与模拟效率对比结果

Fig.4　Comparison of efficiency between experiment and

simulation

2.3　水力损失评价方法

壳体、导叶位置关系的不同会导致泵内部流动情况有所差别,特别是在导叶和壳体内的流动．因此将流体在导叶和壳体内的压力损失,转化为更为直接的扬程损失进行比较,分别用系数ξ表示在导叶和壳体内的扬程损失占整泵扬程的百分比．由于不考虑流体自身重力,故有

(1)

,

(2)

泵总水力效率

(3)

式中：下标d,k分别表示在导叶或壳体内；ΔH为扬程损失；H为泵总扬程；pin，pout为进、出口总压；P为泵轴输入功率．

3　计算结果及分析

3.1　能量损失

分别将沿轴向的5个方案和沿周向的6个方案中的导叶内扬程损失系数ξd、壳体内扬程损失系数ξk、两者损失系数之和ξd+k以及泵总水力效率ηh整理得到如图5所示模拟结果．

图5　能量损失曲线

Fig.5　Energy loss curves

从图5中可以看出,不论是沿泵轴方向还是沿导叶出口圆周方向,泵的总水力效率ηh随相对位置不同有所变化,轴向和周向最大差值分别为0.6%和0.8%,且都存在水力效率ηh最高的匹配位置．图5a中,在轴向位置匹配关系中,壳体和导叶内的扬程损失系数变化并不明显．在x=0.50位置方案时(即壳体出口中心线与导叶出口中心线相距0.5b4时,位于前盖板附近),壳体内损失系数最大,此时,整个导叶、壳体内损失系数总和也为最大．在x=-0.25方案中,导叶内的扬程损失系数ξd最大．比较后发现,在x=0.25位置时,ξd+k最小,总水力效率ηh最大．图5b中,在圆周方向上,导叶和壳体间位置匹配关系的不同对其内部流动的影响要大于轴向上的位置匹配关系．ξd+k随着θ角度的不同,波动较明显,同时扬程损失系数在导叶内的变化程度也明显大于壳体内．当θ=0°时,即导叶叶片出口边与壳体对称轴面重合时,虽然在壳体内损失系数略大于其他角度方案,但在导叶内的损失明显要小得多,继而,此方案的总水力效率值ηh也最大．在θ=15°时,虽然壳体内损失并不是最大,但导叶与壳体内损失系数为这几个方案中最大．这也说明了在泵内部流动研究中,对各水力部件的研究不应片面地将其独立,而应依据不同部件间的相关性,寻找使内部流动达到最佳状态的最优组合．

3.2　内部流动分析

在研究壳体与导叶间不同轴向位置关系对泵内部流动的影响时,以壳体对称轴面为截面,如图6所示．

图6　不同轴向位置的流线图

Fig.6　Streamlines at different axial positions

从图6内部流线的分布状态可以看出,壳体出口段中心线与导叶出口中心线距离不同时,会对壳体内部以及导叶靠近出口段的流道产生较大影响．将壳体内流线加密,可以明显观察到壳体下方存在一对较大的旋涡,且旋转方向相反．在近壳体壁面处也存在着许多其他旋涡,这些都是球型壳体内部复杂流动特征的表现．虽然流体经过导叶导流作用获得圆周方向的速度分量,但依旧存在的径向速度使得一部分流体直接冲击到壳体内表面,加之少量残余轴向速度分量,便会形成图示中的对称旋涡．在靠近壳体出口段的导叶出口附近,除x=0.25方案外,在导叶前盖板附近会出现旋涡,堵塞导叶出口,致使导叶内部流动损失增加．特别是在x=-0.25的位置方案中,导叶出口发生旋涡现象十分明显,这也是导叶损失系数相较其他轴向方案最大的原因．

在导叶叶片出口边与壳体对称轴面之间不同的几何夹角中,选取效率差距较大的3个方案,即θ=0°,10°和15°,做如图7所示的截面,即壳体出口段中心面．

图7　不同周向位置的涡量图

Fig.7　　Vorticity contour at different circumferential

positions

由图7可以看出,在叶轮和导叶叶片表面以及由壳体进入出口段的弯角处,涡量较大．因为要考虑壳体导叶之间的位置关系对泵内部流动的影响,所以突出导叶与壳体内部流场中的涡量．在显示的整个内部流场中,导叶内的流动是非对称的,特别是在靠近出口管段的导叶流道中,涡量明显增加,严重时会加剧前面分析中提到的流道堵塞现象,而且θ角度不同,涡量大小变化明显,这也说明了在周向上的位置关系对泵内部流动影响较大．同时,在出口段收缩角处存在一个涡量较大的区域．这是因为在此收缩角下,一部分流体未能从出口段流出,压差作用下形成旋涡,造成能量损失．其中,还会有一部分随其他导叶流道流出的流体,绕壳体旋转一周后再流入出口段,在这个过程中也造成了能量损失．当θ=0°时,在靠近壳体出口段的导叶流道中,涡量值大小在400 s-1以上的橙色区域要明显小于θ=10°和θ=15°的情况,这也解释了此方案下导叶内扬程损失系数小于其他周向方案的原因．

4　结　论

文中对ns=390的混流式核主泵的导叶与壳体匹配水力特性进行了初步研究,获得了以下主要结论:

1) 混流式核主泵中球型壳体内的复杂流动是造成其水力效率低的一个关键因素,导叶与壳体间匹配关系对其内部流动状态影响较大．

2) 当壳体出口段中心线与导叶出口中心线之间相距1/4导叶出口宽度时(靠近导叶前盖板),壳体与导叶内的扬程损失系数最小．

3) 导叶叶片出口边与壳体对称轴面重合时,靠近出口段流动情况最优,整个定子部分流动损失最小．

参考文献(References)

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WANG Chunlin, PENG Na, ZHAO Baitong. Influence of relative position of diffuser inlet edge on performance of nuclear model pump[J]. Drainage and irrigation machinery,2008,26(5):38-41.(in Chinese)

(责任编辑　盛杰)

Influences of guide vane-casing volute positions on performance of nuclear reactor coolant pump

YANG Minguan, WANG Da, GAO Bo, LU Sheng

(School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013, China)

Abstract: Three-dimensional numerical simulations of the internal flow field, based on Reynolds-averaged equations and RNG k-ε turbulence model, are carried out in the study on axial and circumferential positions between guide vane and casing volute of a ns=390 mixed-flow nuclear reactor coo-lant pump. The energy performance is used to analyze internal flow and acquire the prime position between guide vane and casing volute. The results show that different positions have an influence on hydraulic efficiency and internal flow. The hydraulic efficiency in an ideal position scheme has increased by 0.6%, equal to 1/4 of guide vane outlet width, between the shroud and central plane of casing outlet. Meanwhile, it has increased by 0.8% with a better internal flow performance as the symmetric axial plane and the vane outlet are at the same circumferential position. The results contribute to the design and optimization of a nuclear pump as well as internal flow control.

Key words: mix-flow pump;spherical casing;guide vane position;internal flow field;

中图分类号: Tp13; S277.9

文献标志码: A

文章编号： 1674-8530(2016)02-0110-05

作者简介: 杨敏官(1952—),男,江苏常州人,博士生导师([e-mail]),主要从事流体机械性能、流体机械内部多相流动研究．王达(1991—),男,江苏连云港人,硕士研究生(通信作者,[e-mail]),主要从事流体机械内部流动研究．

基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51476070); 江苏高校优势学科建设工程资助项目

收稿日期: 2015-04-16; 网络出版时间： 2015-12-16

doi:杨敏官10.3969/j.issn.1674-8530.15.0082

网络出版地址： http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20151216.1553.022.html