AP1000核反應(yīng)堆冷卻劑泵過(guò)流部件水力設(shè)計(jì)及流固耦合研究.pdf

1、目前我國(guó)正在大力引進(jìn)和吸收AP1000核電技術(shù)，并要在AP1000核電基礎(chǔ)上自主開(kāi)發(fā)CAP1400核電，而作為核電站核島中關(guān)鍵設(shè)備之一的核主泵設(shè)計(jì)及制造技術(shù)在我國(guó)尚屬空白，這嚴(yán)重制約了我國(guó)核電的發(fā)展。在此背景下本文對(duì)AP1000核主泵過(guò)流部件進(jìn)行水力設(shè)計(jì)和流固耦合的研究具有實(shí)際意義。
　　 本文設(shè)計(jì)了AP1000核主泵的主要過(guò)流部件葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼，采用數(shù)值模擬方法對(duì)核主泵進(jìn)行了內(nèi)流場(chǎng)研究和性能預(yù)測(cè)，對(duì)核主泵葉片的剛強(qiáng)度和振動(dòng)特

2、性進(jìn)行了分析，采用流固耦合技術(shù)對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)間相互作用進(jìn)行了研究。
　　 本文主要工作及研究成果包括：
　　 1.總結(jié)了核電和主泵的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，確定了本文的基本研究路線。闡述了混流式核主泵的設(shè)計(jì)理論，在此基礎(chǔ)上對(duì)主泵葉輪、導(dǎo)葉、蝸殼進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)，確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；
　　 2.運(yùn)用Pro/E和ANSYS Workbench軟件對(duì)主泵實(shí)體和流道進(jìn)行三維實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分，并對(duì)流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)

3、耦合(流固耦合)計(jì)算的控制方程、離散求解方法和網(wǎng)格劃分技術(shù)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述；
　　 3.對(duì)核主泵壓水室的三種導(dǎo)葉和四種蝸殼設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定常流動(dòng)數(shù)值模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。采用RANS雷諾時(shí)均方程進(jìn)行數(shù)值求解，以標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型來(lái)封閉雷諾應(yīng)力項(xiàng)，應(yīng)用SIMPLEC算法進(jìn)行不可壓縮流動(dòng)壓力場(chǎng)的求解，實(shí)現(xiàn)了不同壓水室設(shè)計(jì)方案下主泵的內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)；
　　 4.運(yùn)用CFX軟件對(duì)主泵進(jìn)行定常和非定常內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算。

4、定常計(jì)算得出主泵定常內(nèi)流場(chǎng)分布和葉片水壓力，為單向流固耦合做準(zhǔn)備；非定常計(jì)算得出主泵非定常內(nèi)流場(chǎng)分布及葉輪和導(dǎo)葉相對(duì)位置變化對(duì)主泵性能的影響；
　　 5.應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，采用單向順序耦合方法，對(duì)主泵葉輪、主軸和上飛輪進(jìn)行靜應(yīng)力和模態(tài)分析，得到主泵的力學(xué)特性和模態(tài)振型，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析。結(jié)果表明：主泵的最大等效應(yīng)力產(chǎn)生在葉片壓力面與輪轂接觸處，大小為112.49MPa小于葉輪材料的許用應(yīng)力；最大應(yīng)

5、變產(chǎn)生在葉片出口與輪緣交接處，大小為0.484mm；葉輪自由模態(tài)振頻為294.5Hz，實(shí)際模態(tài)振頻為306.9Hz，均遠(yuǎn)大于葉頻145.8Hz，不會(huì)發(fā)生共振；
　　 6.應(yīng)用Workbench+CFX軟件，對(duì)核主泵葉輪進(jìn)行雙向順序耦合分析，得到主AP1000核反應(yīng)堆冷卻劑泵過(guò)流部件水力設(shè)計(jì)及流固耦合研究泵葉片和流場(chǎng)相互作用下的最終葉片變形和流場(chǎng)分布，與非定常計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在雙向流固耦合下各個(gè)葉片的變形均不相同，葉