艾陽,毛遠(yuǎn)帆,劉鈺,譚鑫,蘇舒

(1. 中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室,四川 成都 610213; 2. 東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司,四川 德陽 618000)

現(xiàn)代艦船中自流式循環(huán)水系統(tǒng)被廣泛運用于滿足主動力系統(tǒng)對冷卻水的需求,即在一定航速工況內(nèi),循環(huán)水系統(tǒng)可依靠艦船運動產(chǎn)生的能量差使冷卻水克服系統(tǒng)阻力實現(xiàn)自動循環(huán).因此,降低循環(huán)水系統(tǒng)中混流泵水力部件的流動阻力可以有效降低能源消耗,提高船舶的續(xù)航能力[1].

目前,由于各種原因,公開文獻(xiàn)中較少出現(xiàn)關(guān)于自流系統(tǒng)及其泵設(shè)備的設(shè)計和運行的資料[2].孔祥花等[3]、李偉等[4]通過簡化計算方法研究屏蔽泵流阻特性,但需對每個阻力元件進(jìn)行簡化.近年來,數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展為泵內(nèi)流體流動狀態(tài)及自流特性的研究提供了新的途徑[5-8].孟清正等[2]基于CFD技術(shù),對目標(biāo)船自流系統(tǒng)在不同航速下的自流流量進(jìn)行數(shù)值研究,量化了航速與流量之間的對應(yīng)關(guān)系.李忠等[9]結(jié)合試驗測量和數(shù)值計算對軸流式循環(huán)泵的自流特性進(jìn)行研究,獲得了自流轉(zhuǎn)速、自流損失和損失系數(shù)隨自流流量的變化規(guī)律.隨后,李忠等[10]用同樣的方式,對不同自流工況下軸流式循環(huán)泵的自流性能以及葉輪旋轉(zhuǎn)中心截面上的壓力脈動特性進(jìn)行了研究.余建平等[11]基于不同的湍流模型,利用CFD分析技術(shù)對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了低流阻方向的優(yōu)化.

然而,當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對于泵設(shè)備的低流阻設(shè)計研究仍然較少,缺乏一種具有較高通用性的設(shè)計優(yōu)化方法.因此,文中基于CFD仿真分析和隨機有限元分析,對混流泵低流阻水力部件開展模擬優(yōu)化及試驗研究,最終通過樣機試驗驗證優(yōu)化方法的有效性.

1 低流阻水力部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 初步方案設(shè)計

基于艦船的實際工程需求,為提高小流量下自動沖轉(zhuǎn)和循環(huán)功能,設(shè)計目標(biāo)中,特定小流量工況下(0.10Qd,0.09Qd,0.07Qd,0.06Qd,0.04Qd,其中Qd為額定流量)流阻系數(shù)δ≤10,額定工況下泵效率η≥56%.

首先,根據(jù)設(shè)計需求確定了設(shè)計對象為單吸閉式混流泵,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼這3個部分,流體從泵體下方進(jìn)口流入,依次通過葉輪流道和導(dǎo)葉流道后流入蝸殼,最終從出口流出.

圖1 混流泵結(jié)構(gòu)圖

初步方案的設(shè)計參數(shù)中,比轉(zhuǎn)數(shù)n=350;葉片數(shù)Z=5;導(dǎo)葉數(shù)Zs=7;泵進(jìn)口直徑Ds=300 mm;葉輪進(jìn)口直徑D0=290 mm;泵出口直徑Dp=300 mm;泵最大寬度W1=1 120 mm.初步設(shè)計方案的設(shè)計圖如圖2所示.

圖2 初步方案設(shè)計圖

1.2 數(shù)值仿真計算

1.2.1 網(wǎng)格劃分

文中建模仿真采用ANSYS 18.0,網(wǎng)格前處理采用其內(nèi)置ICEM模塊.為分析初步設(shè)計的水力性能和流阻特性,CFD仿真分析以泵整體流道為主,包括進(jìn)口域、葉輪域、導(dǎo)葉域和蝸殼域.為驗證網(wǎng)格無關(guān)性,選取了4套不同網(wǎng)格數(shù)量的葉輪進(jìn)行計算.計算結(jié)果表明,在網(wǎng)格總數(shù)N達(dá)到3.8×106時(葉輪網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1.0×106),額定工況下的揚程Hd趨于穩(wěn)定,其誤差小于1.8%,故最終確定了網(wǎng)格劃分方案,此時壁面y+值位于[20, 50].各部分的網(wǎng)格中,進(jìn)口流道網(wǎng)格為六面體型,其數(shù)量為3.0×105;葉輪、后置導(dǎo)葉和蝸殼的網(wǎng)格均為四面體型,其數(shù)量分別為1.0×106,1.0×106和1.5×106.

1.2.2 邊界條件

文中以進(jìn)口流道的入口設(shè)置進(jìn)口邊界條件,并給定進(jìn)口流量;以蝸殼出口設(shè)置出口邊界條件,并給定出口平均壓力;給定葉輪轉(zhuǎn)動域的轉(zhuǎn)速為設(shè)計轉(zhuǎn)速;計算流阻系數(shù)時,葉輪設(shè)置為固定不動;所有的壁面條件均為水力光滑壁面條件.在本計算中為模擬流固分離,湍流模型選擇SSTk-ω湍流模型,并根據(jù)y+值可知邊界層網(wǎng)格達(dá)標(biāo);流體介質(zhì)為常溫清水.

1.3 初步方案仿真計算結(jié)果及分析

1.3.1 水力性能

共對7個流量工況(0.7Qd,0.8Qd,0.9Qd,1.0Qd,1.1Qd,1.2Qd,1.3Qd)進(jìn)行水力性能計算.整泵內(nèi)部流動情況如圖3所示.由圖可知,整泵內(nèi)部流動光順,壓力和速度分布合理,內(nèi)流道整體流速也較低.各流道內(nèi)沒有明顯的脫流、旋渦.

圖3 整體流道仿真圖

效率計算公式[11]定義為

(1)

式中:Pe為輸出功率,Pe=ρgQH,其中,ρ為流體密度(清水),g為重力加速度,Q為泵的流量,H為泵的揚程;P為輸入功率.

通過仿真計算得到的初步設(shè)計泵揚程曲線(量綱一化)和效率曲線分別如圖4,5所示.

圖4 揚程曲線

圖5 效率曲線

由計算結(jié)果可知,初步方案的水力性能可滿足設(shè)計要求,其效率最高約為84%.

1.3.2 流阻特性

文中整體流道流阻計算區(qū)域包括進(jìn)口流道、葉輪、導(dǎo)葉及蝸殼,選取5個特定小流量工況(0.10Qd,0.09Qd,0.07Qd,0.06Qd,0.04Qd)計算水力損失和流阻系數(shù).

當(dāng)葉輪固定不動時的流阻系數(shù)值最大;當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)入自動沖轉(zhuǎn)和循環(huán)工況后,流阻系數(shù)值會下降直至穩(wěn)定.因此,定義葉輪固定時的流阻系數(shù)為設(shè)計指標(biāo),即葉輪固定時可滿足流阻要求,運轉(zhuǎn)后亦可滿足.水力損失ΔH定義為

(2)

式中:ptin為進(jìn)口流道進(jìn)口總壓;ptout為蝸殼出口總壓.

流阻系數(shù)δ[12]定義為

(3)

式中:vr為參考面流速.

文中以泵的進(jìn)口平均速度作為參考流速,其取值為

(4)

流阻計算結(jié)果如表1所示.由表1可知,在特定流量工況下,初步方案的水力損失仍過高,平均流阻系數(shù)為20.07,未達(dá)到目標(biāo)范圍,仍需進(jìn)一步優(yōu)化.

表1 初步方案流阻計算結(jié)果

2 低流阻水力部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 流阻主要影響因素

ZHU等[13]、NIU等[14]通過隨機有限元分析法,將不確定性因素通過抽樣方法作為仿真輸入,以找出影響輸出目標(biāo)的關(guān)鍵因素,并提出優(yōu)化建議.

基于工程設(shè)計經(jīng)驗,考慮現(xiàn)有工藝實行情況及嚴(yán)格的外形尺寸要求等因素,確定了材料屬性表面摩擦系數(shù)f、葉片數(shù)Z、葉片包角θb、導(dǎo)葉數(shù)Zs、導(dǎo)葉葉片包角θg、導(dǎo)葉葉片厚度t等6個影響因素進(jìn)行分析,并將上述影響因素通過抽樣方法作為輸入,以實現(xiàn)大量隨機樣本的仿真計算,最終輸出流阻系數(shù),具體流程如圖6所示.

圖6 隨機有限元分析方法流程圖

對流阻系數(shù)輸出結(jié)果進(jìn)行敏感性分析,將輸入?yún)?shù)量綱一化和統(tǒng)一排序后可確定6個影響因素的靈敏度因子由大到小依次為葉片數(shù)(30%)、導(dǎo)葉數(shù)(22%)、葉片包角(15%)、導(dǎo)葉葉片包角(15%)、摩擦系數(shù)(11%)和導(dǎo)葉葉片厚度(7%).可見,葉片數(shù)、導(dǎo)葉數(shù)、葉片包角、導(dǎo)葉葉片包角的變動對輸出結(jié)果影響最大.進(jìn)一步分析總結(jié)得到,葉片總包角Zt(Zt=Zθb)和導(dǎo)葉總包角Zst(Zst=Zsθg)是影響混流泵水力部件流阻大小的最主要因素,其與流阻系數(shù)的關(guān)系分別如圖7,8所示.

圖7 葉片總包角與流阻系數(shù)關(guān)系曲線

圖8 導(dǎo)葉總包角與流阻系數(shù)關(guān)系曲線

由圖7,8可知,隨著葉片總包角和導(dǎo)葉總包角的減小,流阻系數(shù)明顯下降,因此后續(xù)進(jìn)行低流阻優(yōu)化設(shè)計時,將重點考慮上述參數(shù)的影響.

2.2 優(yōu)化設(shè)計

以低流阻為主要優(yōu)化目標(biāo),具體改進(jìn)措施如下.

1) 葉輪優(yōu)化

考慮流阻因素,在兼顧泵效率的前提下,其葉片總包角盡量取較小值,優(yōu)化后葉輪保留葉片數(shù)為5,優(yōu)化前后葉輪模型如圖9所示.

圖9 葉輪模型

2) 導(dǎo)葉優(yōu)化

導(dǎo)葉的設(shè)計較常規(guī)設(shè)計有較大區(qū)別,基于有限元仿真結(jié)果,3—7葉片中,3葉片方案的流阻性能最好,但考慮到導(dǎo)葉也是混流泵的結(jié)構(gòu)件,具有支撐作用,減少葉片后還需增大導(dǎo)葉的厚度,以保證導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的強度和剛度.因此,綜合整體方案,導(dǎo)葉數(shù)選擇為4片,優(yōu)化前后的導(dǎo)葉模型如圖10所示.

圖10 導(dǎo)葉模型

3) 流道及出口管優(yōu)化

相對于環(huán)形流道方案,初步方案中螺旋形蝸殼的揚程和效率等水力性能更好,但考慮到實際加工工藝和成本因素,環(huán)形流道更能保證部件強度和流道光潔度,綜合考慮后選擇環(huán)形流道.

基于葉輪與導(dǎo)葉的優(yōu)化,環(huán)形流道及出口管需進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整,優(yōu)化后的環(huán)形流道及出口管如圖11所示.

圖11 優(yōu)化后環(huán)形流道及出口管

初步方案和優(yōu)化方案的主要設(shè)計對比如表2所示.

表2 對比初步方案和優(yōu)化方案

2.3 優(yōu)化方案仿真計算結(jié)果及分析

2.3.1 水力性能預(yù)測

為分析優(yōu)化方案的優(yōu)化效果,同樣對優(yōu)化泵的全流道進(jìn)行CFD仿真計算及流阻分析.優(yōu)化后泵內(nèi)部整體流線、速度和壓力等(額定工況時)如圖12所示,各流道內(nèi)流動較為均勻、光順,沒有明顯的旋渦.

圖12 優(yōu)化方案仿真圖

優(yōu)化前后泵揚程(量綱一化)和效率性能對比分別如圖13,14所示,優(yōu)化后泵整體揚程曲線較初步方案有所提高,水力效率基本與初步方案一致,同時大流量工況下的水力效率得到一定提升,整體水力性能滿足設(shè)計要求.

圖13 揚程曲線對比

圖14 效率曲線對比

由此可知,設(shè)計方案的實際水力性能會受到工藝水平、質(zhì)保管理、加工制造等因素的影響,設(shè)計結(jié)果需通過水力部件樣件開展性能驗證.

2.3.2 流阻特性預(yù)測

優(yōu)化前后水力損失和流阻系數(shù)對比如圖15,16所示.由圖可知,優(yōu)化方案的整體水力損失均下降,流阻系數(shù)降幅顯著,優(yōu)化結(jié)果滿足低損失和低流阻設(shè)計要求.

圖15 水力損失曲線對比

圖16 流阻系數(shù)曲線對比

3 試驗驗證

在確定設(shè)計方案后,根據(jù)上述水力模型設(shè)計結(jié)果,開展水力部件樣件的加工,并進(jìn)行水力性能和流阻特性試驗.

3.1 水力性能試驗

在恒定轉(zhuǎn)速下,通過改變高壓側(cè)管路系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥門來改變系統(tǒng)阻力,從而調(diào)節(jié)機組的過流量,形成不同的試驗工況點.試驗從調(diào)節(jié)閥門全開狀態(tài)開始,逐漸關(guān)閉閥門,調(diào)節(jié)流量和試驗工況點,在運行工況處于穩(wěn)定狀態(tài)時進(jìn)行水力性能數(shù)據(jù)采集.試驗樣機的揚程曲線和效率曲線分別如圖17,18所示.

圖17 樣機揚程試驗曲線

圖18 樣機效率試驗曲線

3.2 流阻特性試驗

流阻特性試驗在轉(zhuǎn)輪封鎖和自由2種狀態(tài)下進(jìn)行.轉(zhuǎn)輪封鎖狀態(tài)時,轉(zhuǎn)輪受水流沖擊而不能旋轉(zhuǎn),由小到大調(diào)節(jié)流量,直至流阻值達(dá)到恒定.轉(zhuǎn)輪自由狀態(tài)時,試驗在轉(zhuǎn)輪處于不同方位下進(jìn)行流阻試驗,以研究轉(zhuǎn)輪不同方位下的流阻特性,記錄試驗曲線如圖19所示.

圖19 樣機流阻系數(shù)曲線

由于較高的安全性要求,在設(shè)計和模擬過程中保留了較大的裕量,流阻系數(shù)預(yù)測值和實測值存在一定的正偏差(流阻系數(shù)預(yù)測值約為9.00,實測值約為6.00),試驗結(jié)果證明樣機的流阻性能完全滿足設(shè)計目標(biāo).

3.3 試驗結(jié)果分析

通過上述試驗結(jié)果表明,揚程平均預(yù)測誤差約為9.8%,效率平均預(yù)測誤差約為2.2%,水力性能預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高,具有較高參考價值;試驗樣機最優(yōu)效率達(dá)到了83.01%,額定工況時效率為81.13%,與優(yōu)化前相比只下降了約2.50%,完全滿足設(shè)計效率≥56.00%的指標(biāo);試驗樣機在額定流量時,揚程滿足設(shè)計要求;試驗樣機在0.7～1.2倍額定流量下,流量揚程曲線無駝峰;試驗樣機優(yōu)化后流阻系數(shù)下降了約1/3,在自模狀態(tài)下流阻系數(shù)達(dá)到了提出的低流阻設(shè)計要求(δ≤10.00).設(shè)計結(jié)果滿足高效率和低流阻的綜合性能要求.

4 結(jié) 論

1) 可通過隨機有限元分析法確定主要影響因素及優(yōu)化方向,如葉片總包角和導(dǎo)葉總包角是影響初步方案流阻大小的主要因素,故可針對導(dǎo)葉和葉輪進(jìn)行優(yōu)化.

2) 優(yōu)化過程應(yīng)綜合考慮設(shè)計影響及加工制造等多種因素,如理論上螺旋形蝸殼方案的水力性能略優(yōu)于環(huán)形流道方案,但考慮到實際加工工藝和制造成本,最終采用環(huán)形流道方案.

3) CFD仿真分析能夠較為準(zhǔn)確反映泵體結(jié)構(gòu)各設(shè)計變量與設(shè)計目標(biāo)間的復(fù)雜關(guān)系及相互影響,效率平均預(yù)測誤差僅為2.2%,流阻下降趨勢符合預(yù)測,研究為低流阻水力部件的設(shè)計及優(yōu)化提供了直觀、可靠的參考.