Background: Impellers and diffusers of multistage feed pumps are the most important components of the unit. The most important parameters of the flow part are: dhub/D2, D0/D2, D3/D2, b3/b2, and determining their optimal values is a relevant task, since they contribute to the most efficient operation of the pumps. Conducting a physical experiment to study a large number of parameters is problematic due to significant financial and time costs, but by using three-dimensional mathematical modeling methods, these difficulties can be minimized. The objects of study are multi-stage feed pumps for nuclear power plants with stage specific speed ns = 71, 103 and 137.
Aim: Using three-dimensional mathematical modeling methods, search for optimal values of the flow path parameters of the feed pump (dhub/D2, D0/D2, D3/D2, b3/b2) and determination of their impact on the efficiency of the unit using three-dimensional mathematical modeling methods.
Methods: The search for optimal parameter values was performed using three-dimensional hydrodynamic calculations of viscous fluid flow. The calculation models are full-size, consisting of an inlet, an impeller, and a diffuser of the last stage. The mesh is unstructured. Numerical calculations were performed using the CFD method with varying geometry of the impeller and diffuser.
Results: The numerical research performed showed that dhub/D2 should be selected as minimal. The optimal calculated value of D0/D2 for ns = 71, 103, 137 is 0.50; 0.57; 0.60, respectively. The optimal calculated range of b3/b2 for ns = 71, 103, 137 is (1.0…1.3); (1.1…1.4); (1.2…1.5), respectively. The optimal numerical value of D3/D2 for the stage with ns = 71 corresponds to the minimum from the studied range (1.02); for the stage with ns = 103, there is a tendency to decrease in hydraulic losses with an increase in D3/D2 over the entire considered interval (up to 1.08); for the stage with ns = 137, an increase in the D3/D2 parameter does not have a significant effect on the growth of hydraulic losses.
Conclusion: The numerical research and analysis of the obtained results showed that the values of the optimal parameters D0/D2 and b3/b2 increase with the growth of the stage specific speed. Reducing the hub ratio helps to reduce the flow velocity at the impeller inlet and, consequently, reduces hydraulic losses, so it is necessary to select the minimum value of this parameter taking into account the requirements for strength and reliability. Within the studied range, the optimum D3/D2 for ns = 71 and ns = 103 is equal to the minimum and maximum values, respectively; for ns = 137, no clear optimum was identified.
Введение. Рабочие колёса и направляющие аппараты многоступенчатых питательных насосов — важнейшие компоненты агрегата. Наиболее ответственными параметрами проточной части являются: dвт/D2, D0/D2, D3/D2, b3/b2. Определение оптимальных значений указанных параметров — актуальная задача, т.к. они соответствуют наиболее эффективной работе насосов. Проведение физического эксперимента для исследования большого количества параметров проблематично из-за существенных финансовых и временных затрат. Однако, применение методов трёхмерного математического моделирования минимизирует данные трудности. Объекты исследования – многоступенчатые питательные насосы для АЭС с коэффициентами быстроходности ступеней ns = 71, 103 и 137.
Цель работы — с помощью методов трёхмерного математического моделирования выполнить поиск оптимальных значений параметров проточной части питательного насоса (dвт/D2, D0/D2, D3/D2, b3/b2) и определить их влияние на эффективность работы агрегата.
Материалы и методы. Поиск оптимальных значений параметров выполнялся с применением трёхмерных гидродинамических расчётов течения вязкой жидкости. Расчетные модели — полноразмерные, состоящие из подвода, рабочего колеса и направляющего аппарата последней ступени. Расчётные сетки — неструктурированные. Численные расчёты проводились CFD методом при варьировании геометрии рабочего колеса и направляющего аппарата.
Результаты. Численные исследования показали, что dвт/D2 необходимо выбирать минимальным. Оптимальное расчётное значение D0/D2 для ns = 71, 103, 137 составляет 0,50; 0,57; 0,60 соответственно. Оптимальный расчётный диапазон b3/b2 для ns = 71, 103, 137 составляет (1,0…1,3); (1,1…1,4); (1,2…1,5) соответственно. Оптимальное численное значение D3/D2 для ступени с ns = 71 соответствует минимальному из исследуемого диапазона (1,02); для ступени с ns = 103 существует тенденция к снижению гидравлических потерь с увеличением D3/D2 на всем рассматриваемом промежутке (до 1,08); для ступени с ns = 137 увеличение параметра D3/D2 не оказывает существенного влияния на рост гидравлических потерь.
Заключение. Проведённые численные исследования и анализ полученных результатов показали, что значения оптимальных параметров D0/D2 и b3/b2 увеличиваются с ростом быстроходности ступени. Уменьшение втулочного отношения способствует снижению скорости потока на входе в рабочее колесо, а, следовательно, снижает гидравлические потери, поэтому необходимо выбирать минимальное значение данного параметра с учётом обеспечения требований прочности и надёжности. В рамках исследуемого диапазона оптимум D3/D2 для ns = 71 и ns = 103 равен минимальному и максимальному значениям соответственно; для ns = 137 явный оптимум не выявлен.