Численное исследование оптимального положения входной кромки лопасти рабочего колеса ступени питательного насоса

Введение. Рабочее колесо является важнейшим элементом насосного агрегата, определяющим его основные параметры. При проектировании лопастной системы рабочего колеса одной из его наиболее ответственных составляющих является входная кромка лопасти. Её геометрические параметры оказывают существенное влияние на формирование потока, стабильность эксплуатационных характеристик и кавитационные качества. Одним из таких важных параметров является оптимальное положение входной кромки лопасти, которое часто принимается исходя из существующих аналогов, поскольку изучение данного вопроса требует проведения значительного количества физических экспериментов, реализация которых является достаточно затратной. С учётом тенденции бурного развития процессов цифровизации и увеличения вычислительных мощностей вышеперечисленные трудности можно минимизировать за счёт применения способов математического моделирования. Объектами данного исследования являются многоступенчатые питательные насосы, применяемые на АЭС с коэффициентами быстроходности ступени n_s=70, 100 и 125.

Цель исследования. С применением численных методов провести исследование оптимального положения входной кромки лопасти рабочего колеса и определить влияние данного параметра на основные интегральные параметры проточной части.

Материалы и методы. Поиск оптимального положения входной кромки лопасти рабочего колеса осуществлялся с использованием математического моделирования трёхмерного течения вязкой жидкости в расчётной области исследуемого объекта. Расчётные модели проточных частей полноразмерные, состоят из рабочих колёс, направляющих аппаратов, подводов, отводов, пазух переднего и заднего щелевых уплотнений. С помощью программного пакета вычислительной гидродинамики (CFD) проводились расчёты при различном положении входной кромки лопасти рабочего колеса.

Результаты. Численное исследование положения входной кромки показало, что её оптимальное положение для n_s=70, 100 и 125 соответствует значениям ${\overline{Z}}_{ср}$=0,095; 0,15 и 0,17 соответственно. Стабильно падающая форма напорной характеристики обеспечивается для n_s=70 и n_s=100 при ${\overline{Z}}_{ср}$=0,08 … 0,12, а для n_s=125 при ${\overline{Z}}_{ср}$=0,08 … 0,20. Наилучшими кавитационными качествами при n_s=70 обладает лопастная система с ${\overline{Z}}_{ср}$=0,08, при n_s=100 с ${\overline{Z}}_{ср}$=0,12, а при n_s=125 с ${\overline{Z}}_{ср}$=0,16.

Выводы. Проведённые численные исследования и анализ существующих конструкций многоступенчатых насосов показал, что для исследуемых быстроходностей ступени с точки зрения энергетических и кавитационных параметров оптимальное относительное осевое положение средний точки входной кромки, отсчитываемое от внутриканальной части основного диска для n_s=70 находится в диапазоне ${\overline{Z}}_{ср}$=0,9 … 0,11, для n_s=100 в диапазоне ${\overline{Z}}_{ср}$=0,14 … 0,16, а для n_s=125 в диапазоне ${\overline{Z}}_{ср}$=0,16 … 0,18.