離心式上充泵首級(jí)葉輪空化特性與試驗(yàn)研究.pdf

1、離心式上充泵是核電站一回路中化學(xué)和容積控制系統(tǒng)的重要組成部分，安全級(jí)別為核Ⅱ級(jí)。它負(fù)責(zé)給反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)供給上充水流，保持穩(wěn)壓器的正常液位，為核主泵的密封提供必需的冷卻水。上充泵技術(shù)規(guī)范中對(duì)空化性能有明確要求，空化性能直接影響到核電站的安全運(yùn)行。因此，對(duì)上充泵空化性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和內(nèi)部流場(chǎng)分析具有重要的意義。
　　本文以專門研發(fā)的離心式上充泵首級(jí)樣機(jī)為研究對(duì)象，基于多工況水力設(shè)計(jì)方法以及低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計(jì)理論，初步設(shè)計(jì)了上充泵首級(jí)

2、葉輪水力模型，并設(shè)計(jì)了吸水室和蝸殼。通過(guò)對(duì)吸水室結(jié)構(gòu)、首級(jí)葉輪葉片數(shù)、包角和沖角等的優(yōu)化，提高了泵的空化性能和水力性能。對(duì)上充泵空化狀態(tài)進(jìn)行了細(xì)分，并對(duì)不同的空化狀態(tài)進(jìn)行了非定常數(shù)值模擬，得到速度波動(dòng)、壓力脈動(dòng)時(shí)域圖和頻域圖的規(guī)律。對(duì)上充泵首級(jí)樣機(jī)進(jìn)行了試制和試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算結(jié)果。主要內(nèi)容如下:
　　1.查閱大量資料，在應(yīng)用傳統(tǒng)離心泵葉輪水力設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法和低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計(jì)方法，初步進(jìn)行了離心

3、式上充泵首級(jí)葉輪的水力設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了吸水室和蝸殼。
　　2.使用Pro/E軟件完成上充泵首級(jí)樣機(jī)水力部件的三維建模，并用ICEMCFD軟件進(jìn)行了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。
　　3.以商業(yè)軟件ANSYS-CFX和Origin為主要分析和后處理工具，基于SSTk-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型，對(duì)吸水室結(jié)構(gòu)、葉輪葉片數(shù)、包角和沖角等進(jìn)行優(yōu)化。主要結(jié)論:上充泵是低比轉(zhuǎn)速泵，但是為了同時(shí)提高效率和空化性能，葉輪采

4、用扭曲葉片設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì);在環(huán)形吸水室中加隔板，把水流分成均勻?qū)ΨQ的兩股，既可以減小進(jìn)口預(yù)旋，又可以降低流動(dòng)分離，達(dá)到同時(shí)提高泵效率和空化性能的目的;葉片數(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算選擇4片，既能保證空化性能，又有效提高了揚(yáng)程和效率;包角和沖角對(duì)揚(yáng)程和汽蝕性能都有一定的影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇了最合適的包角和沖角。
　　4.將上充泵中的空化細(xì)分成5個(gè)階段，分別是初生空化、發(fā)展空化、臨界空化、嚴(yán)重空化和斷裂空化，并對(duì)不同空化狀態(tài)下的上充泵內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行

5、了定常和非定常數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論:從初生空化到斷裂空化，葉輪內(nèi)汽泡數(shù)量迅速增加，同時(shí)沿徑向不斷向葉輪出口處延伸，堵塞流道，最終使揚(yáng)程明顯下降;初生空化時(shí)的葉輪和蝸殼內(nèi)速度波動(dòng)和壓力脈動(dòng)與正常情況相似，主要由葉輪和蝸殼動(dòng)靜干涉引起;斷裂空化狀態(tài)下，空化成為控制葉輪和蝸殼內(nèi)速度波動(dòng)和壓力脈動(dòng)的主要原因;葉輪和蝸殼內(nèi)速度波動(dòng)和壓力脈動(dòng)最為紊亂的階段既不是初生空化階段，也不是斷裂空化階段，而是發(fā)展空化到嚴(yán)重空化之間的狀態(tài);這段空化狀態(tài)內(nèi)由于

6、空化和葉輪蝸殼動(dòng)靜干涉的共同干擾，葉輪和蝸殼內(nèi)的速度波動(dòng)和壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)明顯的不規(guī)律性。
　　5.在開式試驗(yàn)臺(tái)上做了上充泵首級(jí)樣機(jī)的水力性能試驗(yàn)和空化試驗(yàn)。上充工況揚(yáng)程的模擬值和試驗(yàn)值絕對(duì)誤差為5.1％，最大流量工況絕對(duì)誤差為2.9％。首級(jí)葉輪滿足多工況運(yùn)行需求，并具有無(wú)過(guò)載特性。最大流量工況空化余量的模擬值和試驗(yàn)值絕對(duì)誤差為3.6％，達(dá)到了上充泵首級(jí)葉輪空化性能技術(shù)規(guī)范的要求。對(duì)其它四個(gè)工況點(diǎn)也做了空化試驗(yàn)，表明上充泵首級(jí)葉輪在全