Возможность расчетного определения эрозионных зон осевого насоса, работающего на жидкометаллическом свинце

«вода» методом гидродинамического моделирования.

Исследования, выполненные нами [2], также показали, что безразмерные экспериментальные эпюры для жидкометаллической эвтектики свинец-висмут при течении в цилиндрической трубе подобны расчетным эпюрам течения на воде, а расчетные напорные характеристики насоса, снятые на воде и свинце после пересчета по подобию совпадают. Отсюда был сделан вывод, что течение в каналах жидкометаллического свинца подчиняется таким же закономерностям, что и ньютоновская жидкость с плотностью и вязкостью жидкометаллического свинца. Разработанные нами проточные части осевых насосов испытывались на воде и жидкометаллическом теплоносителе. Гидравлические H= f (Q) и мощностные N= f (Q) характеристики насоса, полученные пересчетом по формулам подобия с воды на ТЖМТ, совпадали с характеристиками насоса, полученными на ТЖМТ.

Кавитационные качества осевых насосов, работающих на ТЖМТ, было решено попробовать отрабатывать на основании численных расчетов на воде, так как имеются сведения о том, что проточная часть с бескавитационной формой проточной части по результатам испытаний на воде, обладает высокими кавитационными качествами и при работе на жидкометаллическом натрии.

Методика кавитационных исследований должна включает следующие этапы:

• 1)    Численный расчет кавитационных срывных характеристик насоса для воды.

• 2)    Получение экспериментальных кавитационных срывных характеристик на водяном стенде.

• 3)    Сопоставление расчетных и экспериментальных характеристик.

• 4)    Анализ возможности возникновения в модельном насосе кавитации и мест возможной кавитационной эрозии.

• 5)    Исследование возможности возникновения кавитационной эрозии на водяном стенде с использованием экспресс-методов анализа на основе лакокрасочных покрытий [3] при обеспечении подобия располагаемого кавитационного запаса и величин относительных скоростей потока в рабочих колесах модельного и натурного насосов.

Численные исследования срывных кавитационных характеристик проводились в программном комплексе Ansys CFX с использованием двухфазной модели течения: вода - воздух (пар). При CFD расчетах кавитация рассматривается как фазовый переход из жидкого в парообразное состояние при падении давления в проточной части насоса до величины насыщенного пара. На входе в расчетную область задавалась полная энергия жидкости, на выходе - расход, соответствующий режиму, для которого имелись экспериментальные данные. Величина давления насыщенного пара для температуры t = 25℃ составляла pп = 3574 Па. Для напора и КПД модельной ступени были получены их графические зависимости от кавитационного запаса на входе при постоянных значениях частоты вращения и подачи. В соответствии с ГОСТ 6134-2007 (ИСО 9906_1999) величина критического кавитационного запаса определялась по 3% падению величины напора.

Экспериментальные исследования моделей с D _рк = 270 мм были выполнены на водяном стенде АО ЦКБМ. На рис. 1 представлены сравнительные расчетные и экспериментальные кавитационные характеристики H н = f (Δℎ) модели осевого насоса, полученные на режиме Q =400 м³ ⁄ч. Напор ступени при построении кавитационных характеристик задавался в безразмерном виде, за 100% принимался напор, соответствующий экспериментальному кавитационному запасу Δℎ= 12 м . Из представленных на рис. 1 графиков следует, что полученные по результатам численного расчета течения с двухфазной моделью кавитации срывные кавитационные характеристики хорошо согласуются с экспериментальными. Таким образом, численный расчет методами CFD позволяет определять момент срыва параметров осевого насоса и находить значение критического кавитационного запаса Δℎ_кр.

Кавитационный запас ЛЬ (м)

Рис. 1. Срывные кавитационные характеристики модели насоса с Dрк =270 мм

Также были проведены численные исследования срывных кавитационных характеристик для модели с D_рк = 200 мм на режиме Q =170 м ³ ⁄ ч и частоте вращения n = 1000 об ⁄ мин (рис. 2), что соответствуют параметрам при испытаниях на свинцовом стенде. Напор ступени при построении кавитационных характеристик задавался в безразмерном виде, за 100% принимался напор, соответствующий кавитационному запасу Δℎ= 10 м . Из рис. 2 следует, что критический кавитационный запас модели насоса составил Δℎ кр ≈ 0,9 м . Согласно ГОСТ 6134-2007 (ИСО 9906-1999) величина коэффициента кавитационного запаса выбирается из диапазона К_доп = 1÷1,3. Тогда допустимый кавитационный запас модели с D_рк =200 мм :

Δℎ доп = Кдоп ∙ ∆ℎ кр =1,2∙0,9=1,08 м .

Свинцовый теплоноситель при рабочей температуре 400÷600˚С имеет давление насыщенного пара свинца в диапазоне 10 17÷10 9 Па, что на порядки меньше, чем у воды и исключает возможность образования паровых каверн. На стенде ФТ-4 НГТУ им. Р.Е. Алексеева были проведены экспериментальные кавитационные исследования модели проточной части сDрк = 200 мм, на натурной среде – жидкометаллический свинец. На рис. 3 представлены частные кавитационные характеристики, полученные при разных значениях частоты вращения насоса.

Рис. 2. Расчетная срывная кавитационная характеристика модели насоса с D_рк = 200 мм

Результаты эксперимента на жидкометаллическом свинце (рис. 3) показывают, что в отличие от расчетных кавитационных характеристик на воде (рис. 2), срыва параметров насоса на ТЖМТ не происходит, даже при снижении кавитационного запаса до величины близкой к нулю (абсолютное значение давления на входе в насос составляет p_абс = 0,02 кгс ⁄ см ² ). Однако проведенная по завершении кавитационных испытаний ревизия проточной части, зафиксировала поверхностный эрозионный износ лопастей рабочего колеса (рис. 4).

Рис. 3. Экспериментальные частные кавитационные характеристики

Результаты ревизии рабочего колеса показывают, что со стороны входа потока жидкометаллического свинца присутствуют следы «питтинга» (изъязвлений) лопастей рабочего колеса. Питтиннг также наблюдается в периферийной части всех лопастях и в области соединения бандажа РК. Питтинг ярко выражен в месте сопряжения лопастей и конусной втулки рабочего колеса со стороны всасывания. Максимальная глубина каверн питтинга достигает 1,5 мм. Поверхности лопаток рабочего колеса имеют волнисто-губчатый характер, что также характеризует наличие их эрозионного износа. Таким образом, экспериментальные кавитационные исследования насоса, перекачивающего ТЖМТ показывают, что, несмотря на отсутствие паровой кавитации в свинце и срыва его основных параметров, картина эрозионного разрушения схожа с картиной разрушений при паровой кавитации на воде. Наличие эрозионных разрушений при течении в осевом насосе жидкометаллического свинца можно объяснить тем, что в рабочей среде присутствует растворенный газ (кислород, водород, аргон), что вызывает появление в области низкого давления газовой кавитации. И если газовая кавитация в воде не обладает такой разрушительной силой, как паровая, то в случае течения свинца в область разрушившегося газового пузырька устремляется более тяжелый жидкометаллический свинец и удар получается сильным. Поэтому в лопастном насосе, работающем на ТЖМТ интенсивность кавитационных эрозионных разрушений значительно выше, чем при работе на воде.

Рис. 4. Ревизия РК после кавитационных испытаний

Факт наличия интенсивных разрушений обтекаемых потоком поверхностей при значениях кавитационного запаса значительно превышающих его критические значение подтверждается многочисленными исследованиями. С.С. Руднев [4] ввел понятия первого, второго и третьего критических режимов кавитации и показал, что кавитационные каверны появляются уже на начальной стадии возникновения кавитации. При этом на 1-м критическом режиме наличие каверн практически не сказываются на напоре и мощности насоса. Возникает вопрос о способах отработки геометрии проточной части лопастного насоса, работающего на ТЖМТ, которая предотвратит разрушения от кавитационной эрозии.

Известно, что для бескавитационной работы насоса необходимо, чтобы располагаемый кавитационный запас превышал допускаемый кавитационный запас насоса:

∆ℎ р ≥ ∆ℎ доп .

При работе лопастного насоса на воде, для его бескавитационной работы без изменения основных параметров, величина допускаемого кавитационного запаса находится через критический кавитационный запас и коэффициент запаса кдоп = (1 ÷ 1,3):

∆ℎ доп = Кдоп ∙ ∆ℎ кр .

Исходя из полученных результатов кавитационных исследований на ТЖМТ, значение коэффициента запаса должно быть таким, чтобы исключить появление кавитационных пузырьков, которые образуются при первом кавитационном режиме. Было решено исследовать области образования паровых каверн на обтекаемых поверхностях проточной части при численном моделировании на воде и связать их с местами возникновения питтинга при испытаниях насоса на ТЖМТ. При численных исследованиях в программном комплексе Ansys CFX были получены эпюры распределения давления вдоль контура лопасти при разных значениях кавитационного запаса. На рис. 5, 6 представлены эпюры для втулочного и периферийного сечений лопасти (S – криволинейная координата в меридианной плоскости от входной (S=0) до выходной (S=1) кромки). Кавитационные каверны будут образовываться в тех областях лопасти, в которых местное статическое давление падает ниже давления насыщенного пара и где происходит фазовый переход рабочей жидкости из жидкого в газообразное состояние.

Рис. 5. Эпюры распределения давления во втулочном сечении лопасти

Рис. 6. Эпюры распределения давления в периферийном сечении лопасти

Анализ рис. 5, 6 показывает, что кавитационные зоны на лопастях рабочего колеса образуются при значениях кавитационного запаса, значительно превышающем критический кавитационный запас. В первую очередь каверны появляются на входной кромке и тыльной стороне лопасти. Причем во втулочном сечении каверна на тыльной стороне лопасти образуется при кавитационном запасе ∆ℎ = 3,77 м, а в периферийном сечении при ∆ℎ = 5,33 м. С уменьшением кавитационного запаса, каверны увеличиваются в размерах. Срыв параметров насоса происходит, когда кавитационная каверна захватывает всю лопасть по высоте, каверны появляется на рабочей стороне лопасти. Расчетным путем установлено, что процессы кавитации в рабочем колесе насоса начинаются в периферийных сечениях на тыльной стороне лопасти при ∆ℎ ≈ 1,5 ∙ ∆ℎ _кр . Для полного отсутствия кавитационных каверн необходимо обеспечить кавитационный запас ∆ℎ ≥ 2,5 ∙ ∆ℎ _кр .

Для определения мест возможной кавитационной эрозии была выполнена визуализация объемного распределения пара. В местах образования кавитационных каверн может происходить эрозионное разрушение поверхности лопасти, интенсивность которой зависит от степени развития кавитации, продолжительности ее воздействия, величины средней относительной скорости обтекания, агрессивности рабочей среды. На рис. 7-9 такая визуализация показана для тыльной стороны лопасти рабочего колеса при различных значениях кавитационного запаса.

Contour 1

Рис. 7. Паровые каверны при кавитационном запасе ∆ℎ = 4,08 м

Рис. 8. Паровые каверны при кавитационном запасе ∆ℎ = 3,77 м

На рис. 8 можно видеть, что при кавитационном запасе ∆ℎ = 3,77 каверна захватывает значительную часть тыльной поверхности лопасти рабочего колеса, что приводит к началу падения энергетических параметров насоса. При значении ∆ℎ = 3,26 м (рис. 9) паровая каверна нарушает кинематику обтекания лопасти потоком, что вызывает срыв параметров насоса.

Рис. 9. Паровые каверны при кавитационном запасе ∆ℎ = 3,26 м

Выводы: степень влияния кавитационных каверн на эрозию в условиях работы на ТЖМТ еще не достаточно изучены. Требуются дальнейшие исследования кавитационных качеств лопастного насоса по методике, предложенной выше. Использование численных методов вычислительной гидродинамики для среды «вода» позволяет значительно упростить и ускорить отработку проточной части осевого насоса.