AP1000海水循環(huán)泵研制及其內(nèi)流場特性研究.pdf

1、近些年來，隨著清潔能源技術(shù)在全世界的發(fā)展和推廣，我國核電產(chǎn)業(yè)進入高速發(fā)展時期，尤其是AP10000三代核電站在國內(nèi)的興建，使得作為泵行業(yè)高端產(chǎn)品的核電泵市場開始顯著增長。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)階段核電泵國產(chǎn)化的重要項目之一。本文采用理論分析、模型試驗和數(shù)值分析相結(jié)合的方法對AP10000海水循環(huán)泵機組的水力模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計和內(nèi)流場特性等方面進行了系統(tǒng)的研究，以此加快和提高AP10000海水循環(huán)

2、泵機組的國產(chǎn)化進度和水平。此外，通過本文在模型泵內(nèi)流場演化、回流特性和葉輪動態(tài)徑向力方面的研究，為揭示斜流泵內(nèi)流場相關(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)計原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計獲得了AP10000海水循環(huán)泵的水力模型，并采用高精度閉式試驗臺對其進行了性能測試，結(jié)果顯示該水力模型能夠滿足AP10000海水循環(huán)泵機組的設(shè)計性能要求，從而為進一步的研發(fā)打下了基礎(chǔ)。
　

3、　 2.分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNGk-8與SSTk-ω湍流模型對模型泵進行了數(shù)值計算研究，基于水力性能和內(nèi)流場分布特征兩個方面對不同湍流模型的分析結(jié)果進行了研究,并針對不同湍流模型在非設(shè)計工況下的適用性進行了重點研究，通過在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)計工況下的數(shù)值分析研究。
　　 3.采用理論分析方法對具有球形外緣的斜流泵葉輪內(nèi)

4、流場二次流發(fā)生和演化機理進行了研究，基于理論推導(dǎo)結(jié)果對由二次流引發(fā)的葉輪內(nèi)流場回流現(xiàn)象發(fā)生規(guī)律進行了總結(jié)。對具有普遍意義的斜流泵穩(wěn)定性能曲線特征進行了分析，采用理論分析方法就葉輪進、出口回流對其理論揚程的影響進行了研究，并首次提出一種適用于工程應(yīng)用的臨界流量概念。通過數(shù)值計算對模型泵內(nèi)流場回流及演化特性進行了研究，并針對葉輪進、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行了詳細分析，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)值計算方法對模型泵葉輪動態(tài)徑向力和出口流道壓力脈動進行了研究，首次對不同工況下的葉輪動態(tài)徑向力在時域和頻域內(nèi)的變化特性進行了較為系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)了葉輪動態(tài)徑向力在特定頻率下的峰值隨工況變化的規(guī)律。通過進一步針對葉輪與導(dǎo)葉之間過渡流道內(nèi)壓力脈動變化特性的研究，證實了葉輪出口回流對于葉輪動態(tài)徑向力、壓力脈動和動靜干涉現(xiàn)象的影響。此外，還針對模型泵

6、機組的振動特性進行了試驗研究，分析得到機組振動強度隨流量變化規(guī)律以及主要振動分量的組成。
　　 5.設(shè)計得到采用楔形導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的海水循環(huán)泵進水池方案，并基于目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方法對進水池方案進行了比較分析，得到較為合理的進水池設(shè)計尺寸值。采用非定常數(shù)值分析方法對進水池與模型泵聯(lián)合計算域進行了計算，并就進水池流場對模型泵葉輪動態(tài)徑向力的影響進行了研究，結(jié)果顯示，受到進水池流場影響的葉輪動態(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)泵機組結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，基于理論分析和有限元分析法對循環(huán)泵轉(zhuǎn)子部件支承結(jié)構(gòu)動剛度、轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和整機可運行性進行了研究。結(jié)果顯示，在低于一階共振模態(tài)頻率點時，轉(zhuǎn)子支承動剛度值隨著激勵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)動剛度對于轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速具有顯著的影響，在考慮支承結(jié)構(gòu)動剛度時，本文設(shè)計結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子一階橫向振動頻率約為17.5Hz，能夠滿足設(shè)計要求。按照