余熱排出泵啟動過程的瞬態(tài)內流特性研究.pdf

1、本文的研究是在國家科技支撐計劃項目“百萬千瓦級核電離心泵關鍵技術研究”(2011BAF14B04)、國家自然科學基金項目“水力機械的空化特性及對策”(51239005)和“離心泵進口流場畸變誘導低頻頻率特性的研究”(51349004)的資助下展開。
　　余熱排出泵作為核電站的關鍵設備，是余熱排出系統(tǒng)(RRA)的主要組成部分，是除核主泵外唯一布置在核島內的核Ⅱ級泵。在反應堆停運過程中，使反應堆冷卻劑在RRA熱交換器與反應堆壓力容器之

2、間循環(huán)以保證電廠進人冷停堆狀態(tài)。由于余熱排出泵必須能夠承受任何瞬態(tài)機械載荷或水力載荷，故瞬態(tài)工況對系統(tǒng)安全的影響不可忽視。核電站正常運行時，RRA系統(tǒng)隔離、備用。然而，在一些特殊的設計基準事故中，RRA系統(tǒng)的立即投入是不可或缺的，因此對余熱排出泵的啟動可靠性有嚴格要求，研究實踐表明，泵發(fā)生故障的多數(shù)場合（約30％以上）是出現(xiàn)在啟停階段，所以余熱排出泵啟動的可靠性在很大程度上決定了整個RRA系統(tǒng)的可靠性。因此研究余熱排出泵啟動過程的瞬態(tài)特

3、性，對提高泵啟動時的可靠性、穩(wěn)定性和安全性以及對泵及整個系統(tǒng)的可靠設計具有重要意義。
　　本文基于離心泵穩(wěn)態(tài)性能的相關研究基礎，采用理論分析、數(shù)值計算與試驗研究相結合的方法，對處于不同啟動狀態(tài)的余熱排出泵瞬態(tài)內部流場進行了研究，探索了余熱排出泵啟動過程中內部非定常流動演化機理，總結了余熱排出泵啟動過程的瞬態(tài)內流特性。本文的主要研究工作和研究成果如下:
　　1.建立了基于MpCCI的Flowmaster-CFX雙向耦合聯(lián)合仿真

4、分析方法，基于Flowmaster對余熱排出系統(tǒng)進行仿真建模，為余熱排出泵啟動過程的瞬態(tài)內流計算及流固耦合計算提供計算條件。
　　2.基于余熱排出系統(tǒng)仿真模型，對三種不同啟動過程的余熱排出泵瞬態(tài)內部流場分別進行聯(lián)合仿真計算，分析了不同啟動過程中瞬態(tài)流場的壓力脈動時域特性，泵內壓力、速度分布規(guī)律以及葉輪和導葉流道內的旋渦演變過程。由于導葉內的非定常流動誘發(fā)了較為強烈的低頻壓力脈動，導致壓力脈動最大強度出現(xiàn)在導葉出口各監(jiān)測點處;葉輪出

5、口處則由于葉輪與導葉間的動靜干涉作用，壓力波動非常劇烈。不同啟動過程中的壓力、速度分布規(guī)律基本相似，泵內壓力任意時刻均表現(xiàn)為葉輪進口低壓逐漸發(fā)展至葉輪出口處的高壓，最大壓力均出現(xiàn)在導葉處;泵內高速區(qū)則主要出現(xiàn)在葉輪葉片進口邊及葉輪流道與導葉流道交接處。葉輪流道內的流體在慣性力的作用下，經歷了旋渦的產生、分離、消失三個不同階段，由此反映了啟動過程中流體的慣性作用明顯影響著流場的發(fā)展。
　　3.基于余熱排出泵啟動過程瞬態(tài)內流計算結果，

6、采用單向流固耦合方法，分別對余熱排出泵三種不同啟動過程的瞬態(tài)內部流場和結構場進行了聯(lián)合求解，獲得了余熱排出泵不同啟動過程中瞬態(tài)效應對結構場應力應變的影響規(guī)律。研究結果表明，啟動過程中，流場和結構場之間的耦合作用使余熱排出泵內部流場激勵呈現(xiàn)不斷往復振蕩上升的趨勢;應力、應變緊跟轉速達到最大值;在葉輪加速結束時出現(xiàn)的應力、應變瞬時峰值，表現(xiàn)出明顯的瞬時沖擊效應。不同啟動過程中發(fā)生變形的主要位置均位于葉輪后蓋板靠近輪緣處，應力集中現(xiàn)象則主要出