AP1000海水循環(huán)泵研制及其內(nèi)流場(chǎng)特性研究.pdf

1、近些年來(lái)，隨著清潔能源技術(shù)在全世界的發(fā)展和推廣，我國(guó)核電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，尤其是AP10000三代核電站在國(guó)內(nèi)的興建，使得作為泵行業(yè)高端產(chǎn)品的核電泵市場(chǎng)開(kāi)始顯著增長(zhǎng)。其中大型海水循環(huán)泵作為AP10000三代核電系統(tǒng)的重要設(shè)備，其也是現(xiàn)階段核電泵國(guó)產(chǎn)化的重要項(xiàng)目之一。本文采用理論分析、模型試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對(duì)AP10000海水循環(huán)泵機(jī)組的水力模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和內(nèi)流場(chǎng)特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，以此加快和提高AP10000海水循環(huán)

2、泵機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)度和水平。此外，通過(guò)本文在模型泵內(nèi)流場(chǎng)演化、回流特性和葉輪動(dòng)態(tài)徑向力方面的研究，為揭示斜流泵內(nèi)流場(chǎng)相關(guān)特性提供了重要的參考。本文的主要研究工作和創(chuàng)造性成果如下:
　　 1.在參考以往優(yōu)秀水力模型和相關(guān)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)獲得了AP10000海水循環(huán)泵的水力模型，并采用高精度閉式試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果顯示該水力模型能夠滿足AP10000海水循環(huán)泵機(jī)組的設(shè)計(jì)性能要求，從而為進(jìn)一步的研發(fā)打下了基礎(chǔ)。
　

3、　 2.分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-8與SSTk-ω湍流模型對(duì)模型泵進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究，基于水力性能和內(nèi)流場(chǎng)分布特征兩個(gè)方面對(duì)不同湍流模型的分析結(jié)果進(jìn)行了研究,并針對(duì)不同湍流模型在非設(shè)計(jì)工況下的適用性進(jìn)行了重點(diǎn)研究，通過(guò)在0.2Q0到1.2Q0工況內(nèi)的湍流模型適用性分析，其結(jié)果顯示RNGk-8與SSTk-ω模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型更適用于模型泵在非設(shè)計(jì)工況下的數(shù)值分析研究。
　　 3.采用理論分析方法對(duì)具有球形外緣的斜流泵葉輪內(nèi)

4、流場(chǎng)二次流發(fā)生和演化機(jī)理進(jìn)行了研究，基于理論推導(dǎo)結(jié)果對(duì)由二次流引發(fā)的葉輪內(nèi)流場(chǎng)回流現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。對(duì)具有普遍意義的斜流泵穩(wěn)定性能曲線特征進(jìn)行了分析，采用理論分析方法就葉輪進(jìn)、出口回流對(duì)其理論揚(yáng)程的影響進(jìn)行了研究，并首次提出一種適用于工程應(yīng)用的臨界流量概念。通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)模型泵內(nèi)流場(chǎng)回流及演化特性進(jìn)行了研究，并針對(duì)葉輪進(jìn)、出口和導(dǎo)葉出口處的環(huán)量分布隨采樣線位置及工況變化特征進(jìn)行了詳細(xì)分析，首次發(fā)現(xiàn)小流量工況下葉輪出口回流中存在的逆

5、流現(xiàn)象，為進(jìn)一步深入研究斜流泵葉輪出口的回流渦旋分布提供了參考。
　　 4.采用非定常數(shù)值計(jì)算方法對(duì)模型泵葉輪動(dòng)態(tài)徑向力和出口流道壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究，首次對(duì)不同工況下的葉輪動(dòng)態(tài)徑向力在時(shí)域和頻域內(nèi)的變化特性進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)了葉輪動(dòng)態(tài)徑向力在特定頻率下的峰值隨工況變化的規(guī)律。通過(guò)進(jìn)一步針對(duì)葉輪與導(dǎo)葉之間過(guò)渡流道內(nèi)壓力脈動(dòng)變化特性的研究，證實(shí)了葉輪出口回流對(duì)于葉輪動(dòng)態(tài)徑向力、壓力脈動(dòng)和動(dòng)靜干涉現(xiàn)象的影響。此外，還針對(duì)模型泵

6、機(jī)組的振動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析得到機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)度隨流量變化規(guī)律以及主要振動(dòng)分量的組成。
　　 5.設(shè)計(jì)得到采用楔形導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的海水循環(huán)泵進(jìn)水池方案，并基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方法對(duì)進(jìn)水池方案進(jìn)行了比較分析，得到較為合理的進(jìn)水池設(shè)計(jì)尺寸值。采用非定常數(shù)值分析方法對(duì)進(jìn)水池與模型泵聯(lián)合計(jì)算域進(jìn)行了計(jì)算，并就進(jìn)水池流場(chǎng)對(duì)模型泵葉輪動(dòng)態(tài)徑向力的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，受到進(jìn)水池流場(chǎng)影響的葉輪動(dòng)態(tài)徑向力在零頻和葉頻附近出現(xiàn)了較為明顯的峰值，其數(shù)

7、值隨著流量的降低而增大。
　　 6.在完成海水循環(huán)泵機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于理論分析和有限元分析法對(duì)循環(huán)泵轉(zhuǎn)子部件支承結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和整機(jī)可運(yùn)行性進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示，在低于一階共振模態(tài)頻率點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子支承動(dòng)剛度值隨著激勵(lì)頻率的增加而逐漸減小，并與泵體壁厚變化呈正比例線性關(guān)系。支承結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度對(duì)于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速具有顯著的影響，在考慮支承結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度時(shí)，本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子一階橫向振動(dòng)頻率約為17.5Hz，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。按照