離心式上充泵首級葉輪空化特性與試驗研究

朱榮生，蔣旭松，付 強，龍 云，王秀禮，習 毅

(江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

離心式上充泵首級葉輪空化特性與試驗研究

朱榮生，蔣旭松，付 強，龍 云，王秀禮，習 毅

(江蘇大學 流體機械工程技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

為研究和改善核電站離心式上充泵首級葉輪空化性能，采用數值模擬方法進行優化分析。將葉片數改為4片，研究了泵的最佳空化性能、揚程和效率。結果表明，最大流量工況點揚程模擬值與試驗值的相對誤差為2.9%，空化余量相對誤差為3.6%，試驗結果和模擬結果相吻合。將空化細分為初生空化、發展空化、臨界空化、嚴重空化和斷裂空化5個階段，分析表明：初生空化時汽泡首先出現在葉片進口背面處，臨界空化狀態以后葉片工作面也開始出現汽泡；在發展空化到嚴重空化狀態之間，空化和葉輪蝸殼動靜干涉共同影響葉輪內的壓力脈動規律；嚴重空化狀態之后，空化成為主要影響因素，壓力脈動變得相對穩定，葉輪進口和中部的壓力脈動幅值明顯減小，但葉輪出口處仍然保持較高幅值且比較規律的壓力脈動。

上充泵；首級葉輪；空化；壓力脈動；數值模擬

離心式上充泵是核電站一回路化學和容積控制系統的重要組成部分，也是難度僅次于主泵的核安全Ⅱ級設備[1]。上充泵具有流量小、高揚程、高轉速、功率大的特點，屬于低比轉速泵。

國內外不少學者對上充泵進行了研究。文獻[2]簡要分析了上充泵主軸斷裂事故的原因；王延合等[3]介紹了300 MW離心式上充泵技術要求、結構特點和材料選用；付強等[4]對1 000 MW級離心式上充泵的轉子軸系進行了扭振計算。

空化(又稱汽蝕)會導致泵性能下降，損壞過流部件并產生振動和噪聲。Couiter-Delgosha等[5]結合CFD技術和試驗對離心泵汽蝕進行了研究；王維軍等[6]提出了離心泵空化初生判定準則，并給出了一種空化分類；張德勝等[7]通過建立的瞬態數學模型對特種渦輪驅動混流泵的瞬態空化特性進行了分析；劉厚林等[8]采用3種不同的空化模型對離心泵空化進行了數值計算；王松林等[9]對比分析了離心泵葉輪在空化和非空化狀態下內部的壓力脈動特性。

本文對上充泵首級葉輪葉片數進行優化，將模擬和試驗結果進行對比，對上充泵首級葉輪的空化特性進行詳細分析。

1 計算模型及設置

1.1 樣機參數和結構

離心式上充泵為多級泵，空化發生在首級葉輪處。為研究上充泵首級葉輪空化特性，專門設計了上充泵首級樣機，采用環形吸水室結構，壓水室使用雙蝸殼，初始葉片數為3，其結構示意圖如圖1所示。葉輪進口直徑為140 mm，出口寬度為12 mm。首級葉輪上充工況點流量Q=34 m3/h[1]，轉速n=4 500 r/min，最大流量工況點Q=160 m3/h，必需空化余量(NPSHR)≤7.8 m。

圖1 首級樣機結構Fig.1 Structure of the first prototype

1.2 三維建模和網格劃分

采用Pro/E對上充泵首級模型進行建模，選用ANSYS ICEM和四面體非結構化網格對模型進行網格劃分，并對局部區域加密。其中，環形吸入室網格數為431 856，葉輪網格數為703 867，蝸殼網格數為568 329。經過無關性檢查表明網格滿足計算要求。網格劃分如圖2所示。

圖2 網格劃分Fig.2 Grid division

1.3 計算設置

整個流體計算域采用SSTk-ω湍流模型；使用Zwart-Gerber-Belamri空化模型[8]描述汽泡生成和潰滅；使用壓力進口、流量出口作為邊界條件；水的飽和蒸汽壓為3 170 Pa，汽泡平均直徑設為2×10-6m，進口處水的體積分數設為1，汽泡的體積分數設為0。

2 葉片數優化設計

葉片數過多會增加進口排擠，降低葉片空化性能。因此，文獻[1-4]中上充泵首級葉輪統一采用3葉片數的方案。但增加葉片數可增加葉片表面受力面積，減小工作面和背面壓差，這有利于提高空化性能。因此，本文對3葉片數方案進行改進，設計了葉片數Z=3、4、5、6、7，共5種方案。

最大流量工況點下不同葉片數時的揚程H、效率η和NPSHR列于表1。由表1可見，隨著葉片數增加，揚程逐漸增加，其中3葉片數方案的揚程比4葉片數方案低了11.5%，差別較大，Z=4、5、6、7葉片數方案揚程相差不大。3葉片數方案的效率比4葉片數方案低了10.3%，Z=4、5、6、7葉片數方案的效率相差很小。隨著葉片數的增加，空化性能呈現先變好后變差的趨勢。4葉片數方案的空化性能最好，3、4、5葉片數方案的空化性能相差不大。葉片數較少時，工作面和背面壓差是影響空化性能的主要因素，從5葉片數開始，葉片進口排擠成為控制空化性能的主要因素，使得空化性能越來越差。綜合水力性能和空化性能的對比，結合實際鑄造加工等因素的影響，選擇4葉片數葉輪為最優方案。

表1 泵性能參數Table 1 Pump performance parameters

3 空化試驗

3.1 空化試驗臺

空化試驗方法很多，在開式試驗臺上做空化試驗是最常用的方法之一。采用開式試驗臺做空化試驗操作簡單、安裝快捷、試驗成本低，但如果設備選擇不合理，安裝操作不當，會嚴重影響試驗精度。為保證進口密封性，在進口閥門處采取水封措施。空化試驗時，測定空化余量的方法是關小進口閥門，增加進口阻力，逐漸降低泵吸入口壓力，直到泵揚程下降3%。圖3示出空化試驗臺原理圖。圖4示出首級葉輪水體圖和實物圖。

圖3 空化試驗臺原理圖Fig.3 Schematic of cavitation test device

圖4 首級葉輪水體圖和實物圖Fig.4 Water body and material of the first stage impeller

3.2 試驗結果及分析

水力性能模擬與試驗結果如圖5所示。由圖5可見，上充工況點的揚程模擬值為157.6 m，試驗值為149.9 m，兩者相對誤差為5.1%。最大流量工況點的揚程模擬值為119.1 m，試驗值為115.7 m，兩者相對誤差為2.9%。最高效率在流量為140 m3/h附近，其模擬值為75.2%，試驗值為73.3%，兩者相對誤差為1.9%。綜合數值計算和試驗結果可看出，從零流量點到大流量點，模擬值和試驗值逐漸接近，最高效率點往大流量點偏移，這是因為設計時為了保證最大流量工況點的空化性能，偏向大流量點設計的緣故。上充泵首級葉輪首先要保證空化性能，其次才要兼顧水力性能，上充泵的水力性能主要由后11級葉輪保證，因此這種偏差是合理的。

要想真正理解這首詞，首先得思考兩個問題。一是作者為什么要寫這首詞？二是作者想要通過這首詞來表達什么？首先從這首詞的歷史背景來探求其創作原因。

圖5 水力性能模擬與試驗結果Fig.5 Simulation and experimental results of hydraulic performance

圖6為上充泵大流量工況點的空化模擬與試驗數據，NPSH為空化余量。由圖6可見，NPSHR模擬值為6.12 m，試驗值為6.35 m，兩者均小于技術規范要求的7.8 m，其相對誤差為3.6%。綜合水力性能試驗和空化試驗數據可認為模擬結果是正確的。

圖6 空化模擬與試驗結果Fig.6 Results of cavitation simulation and experiment

4 空化特性分析

4.1 監測點設置與空化狀態分類

非定常計算中以定常計算的結果作為初始值。葉輪每轉3°作為一個時間步長，時間步長為1.111×10-4s，葉輪旋轉9個周期，總計算時間為0.12 s，經過3個周期后計算趨于穩定，選后6個周期進行分析。在葉輪流道中，從進口到出口均勻取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ監測點，所有監測點均取在中截面上，如圖7所示。

圖7 監測點位置Fig.7 Position of monitoring point

靜壓值統一轉化成無量綱的壓力系數Cp，其定義為：

(1)

其中：u2為葉輪出口圓周速度；p為靜壓；ρ為密度。

圖8 5種空化狀態Fig.8 Five kinds of cavitation states

文獻[7-9]對空化狀態的分類不同，學術界對空化狀態的細分也無統一標準。在試驗驗證了數值計算可靠性的前提下，本文將葉輪空化分為5個階段，分別是初生空化、發展空化、臨界空化、嚴重空化和斷裂空化，如圖8所示。圖8中，從右往左依次選取6個點進行分析：第1個點是正常工況，NPSH=10 m；第2個點是初生空化狀態，NPSH=7.2 m；第3個點是發展空化狀態，NPSH=6.5 m，此時泵揚程效率等沒有發生明顯變化；第4個點為臨界空化狀態，NPSH=6.12 m，對應泵揚程下降了3%；第5個點是嚴重空化狀態，泵揚程下降了7.5%，NPSH=5.9 m；第6個點是斷裂空化狀態，揚程下降了15%，NPSH=5.8 m，此時進一步降低進口壓力，揚程迅速陡降，空化試驗很難再進行下去。

4.2 汽泡分布規律

為更好分析汽泡分布規律，給出汽泡沿葉輪徑向位置的分布，如圖10所示。圖10中，R為徑向半徑，φ為汽泡體積分數。本文中葉輪輪轂直徑為100 mm，外徑為236 mm，因此徑向半徑為0.05～0.118 m。由圖10可見：初生空化狀態下，汽泡主要分布在葉輪進口側0.05～0.057 m的位置，汽泡體積分數最大也僅為0.61；發展空化狀態下，汽泡沿徑向延伸到0.067 m的位置，最大汽泡體積分數也增加到0.74；臨界空化狀態下，汽泡主要分布在葉輪進口側0.05～0.075 m的位置，汽泡數量大大增加，汽泡體積分數最大高達0.87；當達到嚴重空化狀態時，汽泡沿徑向延伸到0.087 m的位置，最大汽泡體積分數增加到0.92；斷裂空化狀態下，汽泡迅速蔓延到葉輪出口側，靠近出口側0.09～0.118 m位置的汽泡數量急劇增加，汽泡充斥整個葉輪流道內部。

4.3 壓力脈動特性

不同空化狀態下的葉輪內靜壓脈動如圖11所示。圖11中橫坐標為步長，120步為1個周期，共720步。正常情況下，每個周期中葉輪內各監測點的壓力脈動均很規律。葉輪進口處點Ⅰ的壓力系數Cp在0.24～0.27范圍內小幅度波動，點Ⅱ處Cp在0.37～0.45范圍內小幅度波動，點Ⅲ處Cp明顯大于點Ⅰ和點Ⅱ，在0.49～0.64范圍內小幅度波動。越靠近葉輪出口處壓力脈動幅值越大。初生空化狀態下，葉輪內壓力脈動仍較為規律，和圖11a相比壓力略有下降，脈動幅度略有上升。發展空化狀態下，空化與葉輪蝸殼之間的動靜干涉共同影響葉輪內的流場分布，使得葉輪內的壓力脈動規律變得較為雜亂，大約需要2.5個周期，葉輪內的壓力脈動才能完成1次完整的變化，且每次變化的脈動規律也有一定的差別。點Ⅰ處Cp最小值為0.1，最大值為0.27，差值為0.17；點Ⅱ處Cp最小值為0.25，最大值為0.44，差值為0.19；點Ⅲ處Cp最小值為0.34，最大值為0.64，差值為0.3。從葉輪進口到出口，點Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的瞬態壓力逐漸增加，壓力脈動幅度也越來越大。臨界空化狀態下，葉輪內各點的壓力脈動更加紊亂，不同周期之間波動也無明顯相似的規律。其中兩個周期點Ⅰ的瞬態壓力接近0，出現較大的波谷，而點Ⅱ、Ⅲ壓力脈動盡管依然不規律，但未出現太大的突變。這是由于點Ⅰ處于葉輪進口處，此時汽泡和水流運動共同干擾點Ⅰ處的流場，使得點Ⅰ的壓力脈動極為紊亂。嚴重空化狀態下，點Ⅰ處Cp最小值為0.03，最大值為0.08，差值為0.05；點Ⅱ處Cp最小值為0.27，最大值為0.34，差值為0.07；點Ⅲ處Cp最小值為0.38，最大值為0.54，差值為0.16。點Ⅱ、Ⅲ處的壓力脈動重新變得較為規律；點Ⅰ處壓力脈動在后3個周期仍然比較雜亂，證明此時葉輪進口處大量的汽泡依舊無規則地干擾點Ⅰ的脈動規律。可見嚴重空化狀態下，空化替代葉輪蝸殼動靜干涉，逐漸成為控制葉輪流道內壓力脈動規律的主要因素，各點的壓力脈動慢慢變得較為穩定。斷裂空化狀態下，點Ⅰ、Ⅱ處的瞬態壓力接近0，波動程度很小，對比圖9e可知，此時葉輪進口和中部均存在大量汽泡密集區域，點Ⅰ、Ⅱ正好都處于汽泡密集區，液態水很少，導致點Ⅰ、Ⅱ處的瞬態壓力極低。點Ⅲ處Cp在后3個周期穩定后的平均壓力脈動幅值為0.15，脈動很有規律。此時汽泡延伸到葉輪出口，并在葉輪出口和蝸殼內的高壓區域迅速潰滅，對葉片和泵體產生劇烈沖擊，空化試驗時會聽到有規律的振動聲，葉輪出口有較強烈且有規律的振動，導致點Ⅲ處存在比較規律且幅值較高的壓力脈動。此時空化已完全成為控制葉輪流道內壓力脈動規律的主要因素。

a——初生空化；b——發展空化；c——臨界空化；d——嚴重空化；e——斷裂空化

a——初生空化；b——發展空化；c——臨界空化；d——嚴重空化；e——斷裂空化

a——正常情況；b——初生空化；c——發展空化；d——臨界空化；e——嚴重空化；f——斷裂空化

最后1個周期不同空化狀態下的葉輪內壓力脈動頻域如圖12所示。圖12中，f為頻率。本文中葉輪轉速為4 500 r/min，葉片數為4，因此轉頻為75 Hz[10-11]。結合圖12a、b可看出，初生空化狀態下，由于汽泡很少，對泵運行幾乎無影響，因此圖12a、b差別很小。從葉輪進口到出口，隨著壓力的升高，點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的主頻幅值逐漸增加，各點主頻均為150 Hz，是轉頻的2倍。發展空化狀態下，主頻幅值翻倍增加，點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的主頻幅值分別為0.061、0.059、0.074，分別是初生空化時的6.4倍、2.8倍和1.6倍。此時各點主頻均在轉頻75 Hz處，相差不大，中高頻區壓力脈動更為紊亂，衰減速度更快。臨界空化狀態下，點Ⅱ、Ⅲ的主頻幅值很小，僅為0.034和0.032，點Ⅰ處的主頻幅值遠大于另外兩個點，高達0.157，這與圖11d中點Ⅰ的壓力脈動極不規律，并出現較小的極值相對應。3個點主頻全部在轉頻75 Hz處。嚴重空化狀態下，主頻幅值從葉輪進口到出口依次增加，點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處的主頻幅值分別為0.005、0.019和0.041。點Ⅰ的主頻出現在轉頻75 Hz處，點Ⅱ、Ⅲ的主頻出現在150 Hz處。斷裂空化狀態下，由于葉輪進口和中部位置存在大量汽泡，點Ⅰ、Ⅱ的瞬態壓力值極低，對應的脈動幅值很小，點Ⅰ、Ⅱ的主頻幅值幾乎相等，均為0.006，出現在轉頻75 Hz處。點Ⅲ的主頻幅值為0.076，出現在150 Hz處。這和圖11e相對應，葉輪出口側仍保持較規律的壓力脈動和較高的主頻幅值，且中高頻部分的頻率急劇衰減。綜合圖12可看出，葉輪內壓力脈動主要產生在低頻區，并呈現周期性降低的趨勢，主頻及次主頻幅值均為轉頻的整數倍。

需要補充說明的是，上充泵為低比轉速泵，而不同類型的泵在不同空化狀態下的表現不一定相同，但可以本文敘述的方法為基礎去研究其他類型泵的空化特點。

a——正常情況；b——初生空化；c——發展空化；d——臨界空化；e——嚴重空化；f——斷裂空化

5 結論

1) 增加葉片數會加劇進口排擠，但同時也會降低葉片工作面和背面的壓差，前者會降低泵空化性能，后者會提高空化性能。通過計算選擇了4葉片數方案，既保證了最佳空化性能，又有效提高了泵揚程和效率。

2) 最大流量工況點揚程模擬值與試驗值的相對誤差為2.9%，空化余量相對誤差為3.6%，數值計算結果與試驗結果的變化趨勢相同，驗證了數值模擬的可靠性。

3) 初生空化狀態下汽泡主要分布在葉片進口背面處，隨著空化程度的加深，葉輪流道內沿徑向位置的汽泡數量迅速增加，臨界空化狀態下葉片背面也開始產生汽泡，斷裂空化狀態下汽泡充斥整個葉輪內部。

4) 從初生空化到斷裂空化，葉輪流道內部壓力脈動呈現比較規律→逐漸不規律→極不規律→逐漸規律→比較規律的變化過程。在發展空化到嚴重空化狀態之間，由于空化和葉輪蝸殼動靜干涉共同影響，葉輪內壓力脈動較為雜亂，脈動幅值較大。當達到嚴重空化狀態后，空化成為控制葉輪內壓力脈動規律的主要因素，壓力脈動變得相對穩定。斷裂空化時葉輪進口和中部處的瞬態壓力劇烈下降，脈動幅值很小，但出口處仍然保持幅值較高且比較規律的壓力脈動。

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Cavitation Characteristics and Experimental Study on the First Stage Impeller of Centrifugal Charging Pump

ZHU Rong-sheng, JIANG Xu-song, FU Qiang, LONG Yun, WANG Xiu-li, XI Yi

(ResearchCenterofFluidMachineryEngineeringandTechnology,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013,China)

In order to study and improve cavitation performance of the first stage impeller of centrifugal charging pump in nuclear power plant, the numerical simulation was used for optimization and analysis. The number of the blades was changed to 4, and the best cavitation performance, the head and efficiency of pump were studied. The results show that in the maximum flow rate condition, the relative error of head between simulation and experimental results is 2.9% and the relative error of net positive suction head is 3.6%. The numerical results and experiment results are consistent. The cavitation is divided into 5 stages: incipient cavitation, developing cavitation, critical cavitation, severe cavitation and fracture cavitation. The analysis results indicate that the bubbles appear firstly in the inlet of the blade suction surface in incipient cavitation and they appear in the blade pressure surface after critical cavitation. The cavitation and dynamic and static interference in the pump body affect pressure fluctuation in the impeller between developing cavitation and severe cavitation. The cavitation plays a main role after severe cavitation, then pressure fluctuation becomes relatively stable and amplitudes of pressure fluctuation significantly reduce in the inlet and central part of the impeller, but pressure pulsation with relatively high amplitude and regularity still remains in the impeller outlet.

charging pump; the first stage impeller; cavitation; pressure pulsation; numerical simulation

2014-06-08;

2014-11-25

國家自然科學基金資助項目(51379091)；國家科技支撐計劃資助項目(2011BAF14B04)；江蘇省自然科學基金科技項目資助(BK20130516)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PDPA)

朱榮生(1964—)，男，湖南永州人，研究員，博士，從事流體機械水力設計及內部流動研究

TH212；TH213.3

A

1000-6931(2015)10-1778-08

10.7538/yzk.2015.49.10.1778