Оценка гидравлических показателей и проектирование многоступенчатых насосов на основе квазитрехмерных методов

Центробежные насосы широко применяются на атомных и тепловых электростанциях. На АЭС насосное оборудование применяется практически во всех основных технологических и вспомогательных системах: в главном циркуляционном контуре, циркуляционной системе для охлаждения конденсаторов турбин, системе подачи питательной воды, тракте основного конденсата и системе безопасности.

Важной задачей является повышение эффективности таких энергоемких машин как питательные насосы. При мощностях энергоблоков 500, 800, 1000 МВт и более увеличение КПД питательного насоса только на один процент означает экономию сотен киловатт электроэнергии.

Значительную долю среди применяемого насосного оборудования составляют насосы низкой и средней быстроходности с п5=40.140. Такие насосы обладают относительно узкой проточной частью, в них сильно проявление пространственных вязких эффектов. Углы выхода потока из рабочего колеса малы, доля преобразования скоростной энергии, приходящаяся на отводящее устройство, значительна. Гидравлические потери в рабочем колесе и в отводе значительны. Задача обеспечения максимально высокого КПД является одной из главных при проектировании и отработке ступеней таких насосов.

Добиться удовлетворения этих требований можно:

1) на основе традиционного одновариантного проектирования по обычно принятой одномерной (струйной) теории с введением эмпирических коэффициентов и последующей экспериментальной доводкой на стендах;

2) на основе многовариантного математического моделирования с выбором оптимального варианта, удовлетворяющего требованиям технического задания, на стадии проектирования.

Для реализации второго пути необходимо иметь математические модели, описывающие правильно качественно и количественно рабочий процесс в элементах ступени центробежного насоса (в рабочем колесе и отводе). Такие модели должны с приемлемой для практики точностью давать возможность определять выходные параметры ступени: теоретический напор Нт, коэффициент полезного действия г|= т|г т| 0д т) мех, действительный напор Н=Нтг-г, кавитационный коэффициент быстроходности Скр (или кавитационный запас АЬкр).

В лопастных гидромашинах разработка расчетных методов велась в основном для гидравлических турбин с относительно широкими проточными частями, в которых наибольшее влияние на гидродинамические показатели оказывала про-странственность течения в невязком ядре потока. В таких проточных частях ограничивающие диски, вследствие относительно высоких лопастей, не оказывают сильного влияния на формирование вязкого течения в межлопастных каналах. В связи с этим для оценки потерь использовались методы теории пограничного слоя, разработанные для плоских решеток профилей. В относительно узких проточных частях центробежных насосов низкой и средней быстроходности с диффузорным течением на развитие вязкого течения в межлопастных каналах сильное влияние оказывает наличие ограничивающих дисков. Причем как за счет дополнительных потерь на них самих (25.35% для ПН п5=90), так и за счет воздействия вторичных течений, возникающих на дисках и переносящих массы заторможенной жидкости к стороне разрежения лопасти, на формирование пограничного слоя на лопастях и низкоэнергетического следа у стороны разрежения лопасти, в котором сосредоточена значительная доля потерь (20.30%) и который сильно загромождает межлопастной канал, что приводит к уменьшению теоретического напора Нт.

На кафедре гидромашиностроения СПбГПУ для РК была разработана математическая модель течения [24,75]. Для расчета невязкого течения использовался квазитрехмерный подход. Для расчета течения вязкой жидкости в приближении пространственного пограничного слоя на дисках и лопастях были использованы два интегральных соотношения импульсов и вспомогательное уравнение эжекции, позволяющее определять переменное значение формпараметра Н вдоль линии тока внешнего течения. За точкой отрыва рассчитывался низкоэнергетический след на основе дифференциального уравнения, полученного из уравнения неразрывности. В рамках используемого разделения потока на невязкое ядро и пограничный слой было получено выражение для относительных гидравлических потерь в рабочем колесе в относительном и абсолютном движении через параметры пространственного пограничного слоя и низкоэнергетического следа.

В данной работе разработана уточненная модель в рамках квазитрехмерного подхода для РК, данный поход распространен для расчета течения и потерь в отводе канального типа. На основе разработанных математических моделей выполнены расчетные исследования по определению влияния различных параметров проточной части на гидравлические качества ступени и разработана проточная часть насоса низкой быстроходности с повышенной эффективностью. В качестве объекта исследования выбран многоступенчатый насос с коэффициентом быстроходности п5 = 66, который является составной частью агрегата питательного электронасосного АПЭ 380−185А. Агрегат применяется в качестве питательного насоса, обеспечивающего подачу питательной воды из деаэратора на подогреватели и далее в парогенератор на АЭС с реакторной установкой БН-600, а также для питания водой стационарных паровых котлов теплоэнергетических блоков ТЭС, обеспечения питательной водой с температурой до 165° С котельных и парогенераторных устано.

Схема реакторной установки БН-600 приведена ниже на схеме.

1- Реактор- 2 — Главный циркуляционный насос 1 контура- 3 — Промежуточный теплообменник- 4 — Тепловыделяющие сборки- 5 — Парогенератор- 6 — Буферная и сборная ёмкости- 7 — Главный циркуляционный насос 2 контура- 8 — Турбоустановка- 9 — Генератор- 10 -Трансформатор- 11 — Конденсаторы- 12 — Циркуляционные насосы- 13 — Конденсатные насосы- 14 — Подогреватели- 15 — Деаэратор- 16 — Питательные насосы- 17 — Пруд-охладитель- 18 — Отпуск электроэнергии потребителю.

Актуальность темы

Многоступенчатые центробежные насосы (ЦН), в т. ч. питательные, низкой и средней быстроходности широко применяются на атомных и тепловых электростанциях и в промышленности. Такие насосы являются крупными потребителями электроэнергии. При мощностях энергоблоков 500, 800, 1000 МВт и более увеличение КПД питательного насоса только на один процент означает экономию сотен киловатт электроэнергии. Повышение их экономичности представляет собой важную проблему. Сокращение сроков и повышение качества проектирования насосов возможно с применением систем автоматизированного проектирования (САПР), в основе которых лежат математические модели (ММ) для расчета течения, потерь и прогнозирования характеристик ЦН. Применение математических моделей дает возможность вести процесс многовариантного проектирования с оценкой качеств насоса и выбором оптимального варианта на стадии проектирования, что позволяет сократить объем работ по доводке насосов на экспериментальных стендах. В настоящее время для оценки течения и потерь в лопастных системах насосов хорошо зарекомендовали себя квазитрехмерные методы, которые требуют небольшого времени на их реализацию по сравнению с трехмерными методами, и которые дают удовлетворяющие практику результаты. Требуется развитие существующих методов для рабочего колеса и их распространение на другие элементы проточной части — отвод канального типа, для которых такие методы отсутствуют.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка методики оценки гидравлических качеств и проектирования ступеней питательных насосов на основе квазитрехмерных методов. Для выполнения поставленной цели в работе сформулированы следующие задачи:

1. Уточнить метод расчета течения и потерь в рабочем колесе с учетом изменения параметров пограничного слоя поперек межлопастного канала и учетом стеснения потока в ядре толщинами вытеснения пограничного слоя и низкоэнергетического следа.

2. Разработать методику приближенного расчета параметров пограничного слоя, низкоэнергетического следа и потерь в малоканальном отводе.

3. Разработать методику прогнозирования энергетических характеристик ступени многоступенчатого насоса.

4. Выполнить на основе разработанных математических моделей расчетное исследование влияния параметров проточной части на ее гидравлические качества для ступени питательного насоса с коэффициентом быстроходности пз=66. Выработать рекомендации по выбору параметров проточной части.

Методы исследования. Поставленные задачи были решены на основе анализа экспериментальных данных по структуре потока в ЦН, методов вычислительной гидродинамики, статистической обработки экспериментальных данных.

Научная новизна. Разработана уточненная методика расчета течения в рабочем колесе с учетом стеснения ядра потока и изменения параметров пространственного пограничного слоя поперек каналов колеса. Разработана методика расчета пограничного слоя и низкоэнергетического следа в малоканальном отводе и потерь в нем. Разработана уточненная методика прогнозирования энергетических характеристик Н-СЬ г|-С) с использованием разработанных математических моделей.

Практическая значимость работы. Разработанные методы расчета течения и потерь в проточной части ступени питательного насоса и прогнозирования его характеристик используются в комплексе программ «САПР центробежных насосов» кафедры гидромашиностроения СПбГПУ. Даны рекомендации ОАО ЦКБМ по созданию более эффективной проточной части ступени питательного насоса ПЭ 380−185А, который эксплуатируется на Белоярской АЭС (БН-600) в составе энергоблока мощностью 600МВт. Результаты работы могут быть использованы при разработке центробежных многоступенчатых насосов различного назначения низкой и средней быстроходности.

Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований с использованием двухи трехмерных методов подтверждена сравнением с результатами экспериментов.

Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают основные результаты работы, автору принадлежат:

— уточненная методика расчета параметров пограничного слоя с учетом их изменения поперек межлопастного канала рабочего колеса;

— упрощенная методика расчета пограничного слоя и низкоэнергетического следа в малоканальном отводе и расчета потерь в нем;

— уточненная методика прогнозирования энергетических характеристик Н-0, г|-С>, с использованием разработанных математических моделей;

— результаты исследований потерь в проточной части ступени питательного насоса с коэффициентом быстроходности ns=66 от основных гидродинамических и геометрических параметров и рекомендации для создания более эффективной ступени насоса.

Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: III МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». СПб, СПбГПУ, 2005; IV МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития». СПб, СПбГПУ, 2006; МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития». СПб, СПбГПУ, 2008; XII МНТК «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования» — «ГЕРВИКОН-2008» Пшемысль, Польша 2008; МНТК «ECOPUMP.RU'2009. Эффективность и экологичность насосного оборудования». М, 2009; 6-ая МНТК «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития». СПб, СПбГПУ, 2010;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных работ (в т.ч. 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 66 наименований. Основное содержание работы изложено на 143 страницах (включает 119 рисунков и 14 таблиц).

5.7. Выводы.

1. Численные исследования влияния параметров на гидравлические качества РК с использованием квазитрехмерной модели расчета позволили найти оптимальные значения параметров ц/ (?)2), Рл2, Ь2Ю2, г, ггсрЮ2, В (1Д) при достижении условия у = |/та и максимального значения полного КПД ступени. Наиболее высоким КПД обладает РК с коэффициентом напора х|/=0,53.

2. Потери в РК возрастают при увеличении числа лопастей от г=6 до г=8.

3. В пределах РК с одинаковыми Ь2Ю2 наименьшими потерями обладает РК с более высоким расположением входной кромки (от основного диска, г]чД)2) лопастной системы. Имеется оптимальное положение входной кромки, которое можно определить расчетом на основе разработанной квазитрехмерной модели.

1,1 ф.

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2.

Горгиджанян к=1,87.

Малюшенко ——Степанов «^Обретенов Ряд9 Ряд 10 -*» 256 257 258.

308 О 356.

357 —-35 8.

П.

Рис. 5.20. Сравнение расчетного коэффициента напора ц/ с рекомендациями других авторов.

I II II ¦ [11 111 I 1111 I II111111 I III III 1 II I 1 I II и.

4. Требуемая густота решетки увеличивается от 1Л = 1,8 до 1Л = 3,1 при увеличении от г = 6 до г = 8;

5. При большем коэффициенте напора |/=0,53 по сравнению с вариантом с |/=0,507 гидравлические качества ступени выше. Полный КПД при Ч/=0.53 выше полного КПД у исходного варианта с =0.507 на 2%.

6. Показана возможность определения расчетным путем оптимального коэффициента напора (или диаметра РК) и относительной ширины РК при разных РЛ2 и г. Полученные расчетом рекомендации укладываются в диапазон, рекомендованный по эмпирическим методикам других авторов (в зависимости от коэффициента быстроходности) и объясняют этот диапазон.

7. Для выбора оптимального варианта направляющего аппарата были проведены численные исследования потерь в отводе, из которых следовало, что:

— отвод с числом каналов г <6 обладает повышенными потерями. Рекомендуемые значения г лежат в диапазоне 2 = 6^-12;

— при увеличении относительной ширины рабочего колеса Ь2Ю2 гидравлические качества направляющего аппарата улучшаются;

— гидравлические качества направляющего аппарата при увеличении Рл2 незначительно улучшаются;

— в зоне оптимального числа каналов (г = 6+12) влияние относительной ширины Ь3/ ?2 незначительное. В зоне малого числа каналов (г < 6) более широкие аппараты обладают большими потерями;

— при большем отношении ЛДЭз гидравлические качества отвода несколько выше. Оптимальное число каналов для отводов представлено в табл. 5.8.

Заключение

.

1. Уточнен метод расчета течения и потерь в рабочем колесе с учетом изменения параметров пограничного слоя поперек межлопастного канала и стеснения потока в ядре толщинами вытеснения пограничного слоя и низкоэнергетического следа.

2. Для малоканального отвода разработана математическая модель течения и расчета потерь на основе расчета параметров плоского пограничного слоя с переменным значением форм-параметра Н — 8* 15** с учетом кривизны линий тока в законе трения и низкоэнергетическим следом, возникающим за точкой отрыва пограничного слоя.

3. Разработана методика прогнозирования напора при С?=0 и энергетических характеристик ступеней многоступенчатых насосов в диапазоне подач от 0 до 1, ЗС>опт.

4. На основе разработанных математических моделей получены параметры проточной части питательного насоса ПЭ 380−185 с повышенными гидравлическими качествами.

5. Разработанная методика может быть рекомендована к использованию при проектировании ступеней центробежных многоступенчатых насосов различного назначения низкой и средней быстроходности.

Kit III Ulli Hl.