2.2 高温高压泵叶轮的研究

图5 炉水循环泵结构图

Tyler公司EP系列炉水循环泵

1-泵盖2一下导轴承组件3一转子4一轴5一上导轴承组件 6一接线盒7一过滤罩 8一电机端盖

叶轮作为高温高压泵的主要动力元件，其叶型、叶片数以及叶轮的强度等对泵的正常运行和性能起着至关重要的作用，因此对高温高压泵叶轮有必要深入研究。研究表明，压水室一定时，适当增大叶轮出口宽度，可扩大泵的高效范围。为了探知叶轮能量与叶片厚度的关系，杨敏官等(咧用理论分析和数值模拟的方法进行分析，发现随着叶轮叶片厚度减薄或者叶片最厚位置由进口向出口移动时，最高效率值有所增大且高效点向大流量工况偏移;当叶片最厚处在靠近进口边约1/3处时，叶轮水力效率值最大。

高温高压泵的轴向力问题也是不可忽视的。为了研究叶轮平衡孔对于高温高压泵的作用效果，沙玉俊等用数值模拟技术对泵叶轮有无平衡孔进行对比分析。根据压力分布(如图6(a)、图6(b))可知平衡孔存在时由于减小了其周围的压力从而达到了减小轴向力的目的，但增加了容积损失和湍动能。通过流线分布(如图6(c)、图6(d))可知平衡孔对叶轮内流体的流态影响并不大。因此为平衡高温高压带来的轴向力，平衡孔是有必要的。

对叶轮进行优化设计的同时，叶轮的强度问题研究也不可小视。李颖以核主泵叶轮为模型进行应力分析，发现叶轮根部受到较大的应力作用，尤其是根部中间位置;温度对于叶轮影响较小，但是高温的长期作用将严重影响到叶轮材料的抗疲劳性能，降低叶轮的疲劳寿命。通过Fe-safe软件对叶轮进行疲劳分析，验证了结构上发生应力集中的部位通常是疲劳寿命值最低的部位这一理论。因此在进行结构设计时应对易发生应力集中的部位采取有效的预防措施。

2.3 高温高压泵的压水室

高温高压泵的压水室是主要承压部件，其水力模型及结构对泵的性能影响至关重要，其承压状况对泵的安全运行息息相关。

压水室扩散管位置、截面形状、扩散管形状的不同对泵性能有着不同的影响。研究发现，相对于中心出口，侧边出口时泵的水力性能更好一点(图7)，但中心出口利于承压和安全运行，基于核主泵的安全运行而选择中心出口;随着蜗壳喉部面积和进口宽度的增大，小流量区蜗壳中更易产生回流，使扬程降低，高效区向大流量偏移;分析发现半球形截面相对于扁球形截面流动损失更小，圆台形扩散管的性能要优于圆柱形Psl。改变常规导叶使其旋转些许度数(导叶非均布)，可减少流动冲击与损失，提高流动效率。

图6 叶轮流道内压力分布与流线分布 

图7 中心出口与侧边出口速度分布矢量图
 

导叶数与叶轮叶片数的匹配对泵的性能影响很大。为探究高温高压泵导叶与叶轮的匹配性对其水力性能的影响以及寻求最优匹配数，王文杰等基于CFX软件对于导叶与叶轮的匹配进行了预测。

研究发现导叶与叶轮的匹配性对余热排出泵的水力性能影响很大且两者相互影响，导叶对小流量和大流量工况下性能的影响比对设计工况的影响程度高，提议在设计时应仔细考虑两者的匹配性。杨从新擎''}J用Fluent软件对以核主泵为原始模型的三个模型泵进行了叶轮与导叶数的匹配对比分析，结果表明最佳的导叶叶片数位于叶轮叶片数的2倍附近，且两数互质时泵的水力性能达到最优。

谢蓉、张明柱等对泵的压水室也进行了大量的研究，并取得了一些成果。从强度方面对压水室进行分析，董亮等针对冶金用高温高压泵的泵体强度，利用数值模拟得到泵体应力分布，各支承部位的应力较大，高温高压条件下，泵体温度梯度较大位置应力较大(如图8)。王岩等通过对余热排出泵的泵体进行热冲击计算，发现不同区域的结构强度不同，提议对强度较弱处进行优化设计以延长其寿命。

图8 冶金用高温高压泵泵体静止应力分布
 

3 高温高压泵汽蚀特性

高温高压泵由于介质高温高压的特点，汽蚀性能是其研究的重要方面之一，目前对于高温高压泵汽蚀性能的研究较少。
    初步研究表明，叶片进口处容易汽蚀，通过改善叶轮前后盖板曲率、控制运行压力和温度等可以提高叶轮抗汽蚀性能[2.26_271，实际加工制造中也可以通过改善材料来提高抗汽蚀性能。目前，经过试验验证，可以用钨铬钻合金、CD4MCU等新型抗汽蚀材料来提高泵的汽蚀性能[2}l，对于严重汽蚀的部位可以采用OCr13Ni46MoRe不锈钢材料，对汽蚀破坏处使用OCr13Ni46MoRe抗磨蚀不锈钢焊条补焊，并对过流部件用环氧金刚砂打磨光滑。试验证明，通过改善这些材料可以大大提高抗汽蚀性育沪。

4 高温高压泵运行稳定性

4.1 压力脉动的研究
    压力脉动会导致高温高压泵在运行过程中不稳定，导致机组的结构振动并产生噪声，从而影响机组的正常运行。为了研究高温高压泵内部流体压力脉动状况，对不同的高温高压泵模型进行分析，发现在设计流量下，叶轮内压力脉动主要由转频决定，从叶轮进口至出口导叶的影响程度逐渐增强;导叶内压力脉动主要由叶频决定，沿流道至出口叶轮的影响逐渐削弱;蜗壳内压力脉动主要由叶频决定，也受导叶数影响[gym。在不同流量工况下，采用特定形式的导叶非均布可以降低核主泵类球形压水室出口处的脉动幅值[n}。当高温高压泵处于变流量工况下工作时，相对于额定流量，越偏离额定流量，泵内部压力脉动越严重[[31]。针对变流量过渡过程的瞬态特性，王秀礼等[[32]以核主泵为研究对象利用CFX流场分析软件进行了分析，发现变流量过渡期间，核主泵的压力脉动沿圆周方向分布并不均匀，其变化趋势是逐渐上升到最大值后又降低，基本呈正弦变化规律，瞬态压力波动变化次数等于叶片与导叶片数间的动静干涉次数，监测点越靠近叶片与导叶交界面，其压力波动越大，且变小流量时，叶轮出口二次回流会导致各监测点压力脉动变化不一。所以为了保证泵运行的安全，泵机组应尽量避免偏离额定工况。

4.2 子动力学的研究

目前对高温高压泵转子动力学的研究较少，大多采用数值模拟方法，但转子的运动状态对泵机组的稳定性运行影响显著。为预测转子动力学状况，刘厚林等基于ANSYS软件的流固祸合功能对余热排出泵的转子系统进行模态分析，得到无预应力和不同预应力下的模态分析结果(如表1)．发现流固祸合力对转子固有频率的影响大于旋转离心力，在同时考虑旋转离心力和流固藕合力作用时，转子固有频率介于只考虑流固祸合力或旋转离心力的固有频率。预应力情况下，转子的固有频率更接近于激振频率，工程中应注意避免共振的发生。同时，有研究结果显示相对于干态，湿态下不同节径处转子固有频率较低洲，而且水的附加质量会降低转子固有频率，变化率为4.69%--11.5%，阶数越高，变化率越大，与振动方向无关。

5 发展趋势

1) 由于高温高压泵输送高温高压介质，要在现场实际条件下进行试验难度极大。建立高温高压试验台实施仿现场条件的验证试验是一个必不可免的重要任务。

2) 高温高压泵对流场与电机腔直接的隔热要求严格，否则将使高温高压泵的电机腔温度升高，影响泵机组的安全正常运行。因此热屏障和冷却循环回路是重点研究问题之一。

3) 高温高压泵的强度影响机组安全运行，深入研究高温高压泵的应力一应变，将成为高温高压泵的重要研究课题。高温高压泵也将向高转速、低重量、小体积方向发展。

4) 随着科技的发展，高温高压泵逐渐向智能可控化方向发展，一套完整的智能检测、调控系统是必不可少的。