核电站重要厂用水泵叶片磨损对其性能的影响

谭正生，陈扬，林彬，段勋兴，徐伟

（1.重庆化工职业学院,重庆 401228；2.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江 212013）

核电作为一种清洁能源，其发电效率高、集中性好、便于统一处理，造成的污染比传统能源低很多，因此在我国核电占有很重要的地位[1−3]。核电站重要厂用水系统是进行冷却的核安全相关的重要系统[4]。重要厂用水泵[5]（简称SEC泵）是该系统中的关键设备，其性能的好坏直接决定了该系统的运行效率。

Majidi[6]、Makagawa等[7]发现，蜗壳和叶轮内的流动随着叶轮的转动具有非常规律的流动状态，蜗壳内和叶轮出口处波动频率与叶频相同。Parron-Do-Gayo等[8]发现，叶轮和隔舌之间的动静干涉是引起蜗壳压力脉动峰值较大的主要原因。

瞿丽霞等[9]的研究得出：叶轮处的压力脉动主频为叶频；设计工况下，叶片出口处压力脉动峰值达到最大；在小流量运行时，压力脉动幅值增大。柴立平等[10]研究了叶片不等间距排布对离心泵压力脉动的影响，发现在1.5倍叶频处的波峰与最小角间距有着紧密联系，并且在最小角间距为56°时达到稳定状态，能量分布也更合理。

Huang 等[11]通过对离心泵进行固液两相流分析得出：叶轮内的磨损集中在叶片前缘、工作面尾部与后盖板交界以及背面后半段与前盖板交界处；小流量工况下，叶轮前盖板磨损量较大,随着流量增大，叶轮叶片工作面和后盖板磨损增加显著。赵伟国等[12]对离心泵进行了磨损研究，发现随着沙粒体积分数的增加，离心泵过流部件的磨损强度逐渐增大，磨损部位主要集中在叶片进口边、叶片背面、叶片工作面靠近叶片出口的位置以及蜗壳的第2断面和第4断面附近。

综上，对于泵内压力脉动的研究已取得了一些成果，但针对叶片磨损对泵正常运行带来的影响研究甚少，叶片磨损后压力脉动信号的变化以及根据压力脉动信号判断叶片磨损的研究还需进一步开展。本文运用数值模拟的方法对叶片磨损泵进行分析，研究叶轮叶片磨损对SEC泵性能的影响，为进一步预测叶片磨损诱发的压力脉动提供依据。

1 模型建立和网格划分

1.1 三维模型

SEC泵的设计参数如表1、表2所示。

表1 设计工况参数

表2 主要结构参数

应用三维软件对SEC泵进行三维建模，泵体由叶轮、进水管、出水管、蜗壳、前腔和后腔组成，如图1所示。

图1 SEC泵三维造型

为了研究叶片磨损对泵的影响，本文对6个叶片中的一个进行了5组不同程度的切割，如图2所示。

图2 叶片磨损图

1.2 网格无关性检验与网格划分

为了减少网格数量同时确保精确度，叶轮和蜗壳采用尺寸较易控制的非结构网格，进出口水体及前后腔水体采用质量较高的结构网格，并对隔舌处进行网格加密。为了排除网格数对计算结果产生影响，设计了7种方案进行网格无关性验证，且每种方案的总体网格质量均达到0.3以上，如图3所示。当网格数达到520万时，扬程基本无变化，故选取第4套方案。网格数如表3所示。

图3 网格无关性检验

表3 各计算域网格数

计算域网格如图4所示，图4（a）—（f）依次为进口段、蜗壳、叶轮、出口段、后腔及前腔。

图4 计算域网格划分图

2 数值计算

2.1 基本控制方程

泵的工作介质通常为绝热和不可压缩的流体，因此在对泵内流场进行数值模拟时，不需要考虑能量方程[13]。涉及的控制方程有连续性方程和动量方程（Navier-Stokes方程）[14]。

2.2 计算方法及边界条件

通过CFX采用标准k−ε模型进行计算。进出口边界条件设置为压力进口，质量流量出口，壁面采用无滑移设置[15]。对于非定常计算，设定叶轮每转过4°需要的时间作为一个时间步长，叶轮旋转一周需要90个时间步长。模型泵转速为n=985 r/min，计算出时间步长为：t=6.76819×10-4s。总时间步长设定为450步，即叶轮共旋转5个周期。每个时间步长的最大迭代次数限制为10步[16]。

3 结果与分析

3.1 叶片磨损对水力性能的影响

通过定常数值计算，得到不同程度叶片磨损泵的扬程和效率曲线，如图5和表4所示。

图5 不同程度叶片磨损外特性对比

表4 设计工况性能对比

图5给出了SEC泵不同叶片磨损的外特性对比。可以看出：随着流量增加，扬程不断下降，效率呈现出先增后减的趋势；当磨损程度逐渐增大时，扬程和效率都有所降低；小流量工况时，相较于完整叶片，当磨损程度大于4/20时扬程下降幅度较大，说明叶片磨损过多，已经严重影响到叶轮内部的流动状态，能量损失较大；在大流量和设计工况下，整体扬程曲线则相差不大，几乎是重合的。因计算时忽略了摩擦损失等因素，所以模拟扬程均大于设计扬程。

由表4可知：相比叶片未磨损时，磨损5/20的扬程下降1.2%；相比叶片未磨损时，磨损5/20的效率下降1.2%；当磨损程度大于3/20时，效率下降幅度突然变大，从磨损3/20到磨损4/20，效率下降了0.8%。

3.2 内流场分析

从图6可以看出，叶轮流道内的静压呈梯度变化。相比于未磨损，当磨损程度大于2/20时，出现了深蓝色低压区。这是由于磨损程度增大叶片流道内的高能量流体流动变得紊乱，之后与叶轮其他流道的流体进行混合，产生较大的能量损失，导致压力降低，扬程和效率也出现了下降。当磨损程度大于4/20时，深蓝色低压区扩散到了整个流道。这是由于磨损加剧，致使叶轮内产生了回流旋涡等现象，使得整个叶轮内流动状态变得较为紊乱。随着磨损加剧，蜗壳流道距离隔舌较近处，橙色低压区逐渐扩大，说明隔舌的影响也越来越大。结合图5泵的外特性曲线，正是因为叶片磨损加剧，导致了叶轮中截面的压力变化，让低压区扩散到整个流道，最终导致扬程和效率的降低。

图6 设计工况下不同叶片磨损泵中截面静压分布云图

从图7中可以看出，随着磨损程度的增大，叶轮中截面处的湍动能分布越来越不均匀，而其湍动能的不均匀性又可以从侧面说明叶轮内部的流动、流动分离以及脉动扩散程度的变化情况[17]。从图中还可以看出，从叶片进口到叶片出口湍动能递增，在叶片出口区域，湍动能呈现先增后减趋势。这主要是因为在出口处流体分离成两股，由于叶轮旋转对流体做功，使其流动趋于稳定，流动损失逐渐减小。从整体上看，随着磨损增加，产生变化剧烈的湍流流动，导致磨损叶片流道内的湍动能不断增大，流体扰动增强。为了保证流入蜗壳内的流量保持不变，叶轮需做更多的功，导致轴功率上升效率降低。

图7 设计工况下不同叶片磨损叶轮中截面湍动能分布图

3.3 压力脉动分析

采用3.2节的定常计算结果作为非定常计算的初始文件，之后对标准工况下不同位置SEC泵内压力的变化进行研究[18]。

3.3.1 压力脉动特征参数的确定

一般地，压力脉动频率计算公式为

式中：n=985 r/min；Z=6；i=1，2，3，···，为谐波次数，当i=1时，叶轮的转频为fn=n/60=16.42 Hz，叶频为f=Z×fn=98.52 Hz。

3.3.2 压力脉动监测点位置的设定

为准确地反映SEC泵内的压力脉动特性，需要选择合理的监测点。结合3.2节对内流场的分析，在蜗壳中间截面（X=0）内选择3个特别位置作为监测点来分析压力脉动，如图8所示。

图8 监测点位置分布

3.3.3 非定常数值计算结果分析

叶轮旋转到第3圈时，泵内的流动就已稳定。为了更准确地反映流动特性，选取第5圈的计算结果进行处理分析，并采用制图软件Origin完成数据的后处理工作。

1）标准工况下的压力脉动时域特性。

压力值能直观地反映出压力大小，却不能反映出规律特性等问题。为了分析其变化，将压力进行无量纲处理，得到压力系数Cp[19]。定义如公式（2）和公式（3）所示。

式中：p为瞬时压力；为平均压力，Pa；ρ=998.2 kg/m³；u2为叶轮出口的圆周速度，m/s。

图9为叶片不同程度磨损下3个检测点的压力脉动时域图。从图中可以看出：压力脉动周期性明显，叶轮每旋转一个周期呈现出6个波峰波谷，正好与叶轮叶片数相匹配；靠近隔舌处监测点Y2的压力脉动能量较高，峰值较大。其原因是叶轮快速旋转，蜗壳隔舌处会产生涡流、回流、动静干涉等影响流体流入蜗壳，导致此处流场随叶片的转动而变得不稳定。

图9 不同程度叶片磨损各监测点压力波动时域图

监测点Y3位于远离隔舌的位置，此处只有叶轮旋转带来的影响，而旋转到第5周期后流动已经稳定，此处的流体流动稳定无大幅波动的情况，因此该监测点处峰值相对最小。针对同一点不同磨损程度来说，磨损程度越大压力脉动的波形越紊乱，并且偏离静压平均值也越多，这主要因为磨损使流动状态变得不稳定。

2）标准工况下的压力脉动频域特性。

将非定常计算得出的压力数据经过快速傅里叶变换[20]得到各监测点的频域图，如图10所示。

由图10可知，各监测点的压力脉动最大峰值均出现在一倍叶频处，这也验证了蜗壳内的流动主要受到叶轮旋转的影响。随着能量在蜗壳中传递并消耗，压力脉动幅值由大变小，在二倍叶频后已趋于平缓。对比图10（a）、（b）、（c）的峰值，各点压力脉动大小关系为Y2>Y1>Y3。这是因为蜗壳的结构是复杂的空间曲面体，型线为螺旋线，使得隔舌到蜗壳出口的空间逐渐变大，叶轮与蜗壳背面的距离越来越远，流体受到叶轮的影响也越来越小，流动逐渐平缓，使得压力波动逐渐平稳，故出现了图10中的大小关系，而且受到涡流和水流的冲击作用，蜗壳隔舌处出现振动，严重时还会引起共振，造成不可挽回的损失；因此，Y1、Y3的压力脉动要小于Y2。又因为Y1在蜗壳出口附近，会产生流动分离和回流等现象，使得该点的压力脉动幅值大于Y3。

图10 不同程度叶片磨损各监测点压力波动的频域图

针对同一点不同磨损程度来看，随着磨损加剧，主频处的幅值略微上升，但整体变化不大；轴频16.42 Hz处的幅值仅次于主频，且越来越高，说明轴频开始占据主导地位。其原因是叶片发生了磨损，每转1圈不再是6个相同的叶片经过，而是有5个相同的叶片和1个磨损的叶片在跟随轴频转动，进而引起轴频处的压力脉动。随着磨损加剧，泵内叶片磨损处的单流道内产生漩涡，流动变得复杂，使得轴频处的压力脉动幅值增加，最终漩涡让整个叶轮内的流动变得紊乱，叶频处的压力脉动幅值也有所增加。

结合图9和图10可以得出，随着叶片磨损的增加，蜗壳内的压力脉动变得不稳定，波动加剧，进而使得频域图中的峰值上升，最终导致扬程效率的下降。

4 结论

1）通过数值模拟计算可知，随着叶片磨损程度的增加，叶轮流道内会出现低压区并开始扩散，最终扩散至整个流道内，使得泵内流场运行不稳定，湍动能增加，扬程、效率降低，磨损5/20时扬程、效率均降低1.2%。

2）蜗壳处3个监测点的压力脉动均呈现明显的周期性，隔舌处由于叶轮旋转带来的动静干涉作用，使压力变化最为强烈。随着叶片磨损程度的增加，各监测点压力脉动波形越来越紊乱，偏离静压平均值也越多。

3）蜗壳里压力波动受叶频影响最大，其次是轴频，在叶频、轴频整数倍的低频区，波动能量较大，在高频区，波动能量急速衰减。随着叶片磨损程度增加，主频处幅值略微上升，轴频处幅值仅次于主频，而且越来越高，开始占据主导地位。

通过本文核电站重要厂用水泵叶片磨损的研究，有助于及时发现叶片磨损故障，避免造成不良后果，保障核电安全。