核主泵内部流动及轴向力数值研究

发布时间：2019-11-20 06:11

【摘要】：核主泵由于长期工作在高温、高压环境下,流体作用于叶轮上的轴向力高达上千牛顿,这将影响到核主泵的安全可靠运行。在叶轮上开平衡孔并在后盖板和泵体之间设置密封环能够有效减小作用于叶轮上的轴向力。平衡孔将叶轮流道与后泵腔连通,该处的泄漏流体将在一定程度上对叶轮流道内流体流动进行干扰,影响叶轮流场分布,进而对核主泵性能造成一定影响。本文以一台叶轮带平衡孔并设有后密封间隙结构的离心式核主泵为研究对象,采用定常和非定常数值模拟的方法,对核主泵内部流动及轴向力特征进行了研究。首先,对核主泵进行全流场定常数值模拟,并将计算结果与试验结果对比,额定工况下两者误差较小,说明本文采用的数值计算方法具有较高的可信度;定常数值模拟所得到的流场分布表明0.6Qopt时平衡孔及前密封环泄漏流体对叶轮入口及叶片入口局部区域流场的影响较明显;对核主泵非定常数值模拟的结果分析发现,核主泵内压力脉动主要受动静干涉和叶轮转频的影响;通过改变叶轮平衡孔直径,研究了不同直径平衡孔对核主泵外特性曲线及对应叶轮流道区域流场的影响,结果表明,随着平衡孔直径的增大,核主泵扬程和效率均略微降低,轴功率几乎无变化,泄漏流体对叶轮后盖板侧流体冲击增大。其次,介绍了产生轴向力的主要原因和计算轴向力的方法,通过数值模拟的方法研究了0.8~1.2Qopt核主泵前后泵腔流体压力分布规律。分析表明,前后泵腔内压力沿叶轮半径增大方向均表现出增大趋势;前泵腔内流体流动与叶轮出口流体流动耦合性较强,不同周向位置的流体压力变化较大;后泵腔内流体压力分布较前泵腔均匀,按同心圆式压力梯度分布。通过对前后泵腔内径向监测点压力数值进行曲线拟合得到了0.8~1.2Qopt前后泵腔流体沿径向的压力分布函数,并分别得出了前后泵腔流体作用于叶轮盖板上的轴向力积分公式。最后,通过改变平衡孔和后密封间隙几何参数,分别研究了设计工况下平衡孔及间隙对核主泵后泵腔压力分布及轴向力的影响。研究表明,间隙值及平衡孔直径对后泵腔流体压力分布和轴向力影响较大,间隙长度的影响较弱。随着间隙值的增大,进入后泵腔的流体压力增大,流体作用于后盖板上的轴向力增大,总轴向力增大,间隙b=0.3mm时的轴向力较b=1.0mm时轴向力减小了9.552k N;随着间隙长度的增大,进入后泵腔的流体压力减小,作用于后盖板上的轴向力减小,总轴向力减小,间隙长度l=26mm时的轴向力较l=18mm时的轴向力减小了1.256k N;随着平衡孔直径的增大,进入后泵腔的流体压力减小,后泵腔内平衡孔附近区域流体压力减小,流体作用于后盖板上的轴向力减小,总轴向力减小,平衡孔直径d=5mm时的轴向力较d=15mm时的轴向力增大了8.274k N。通过上述研究,分析了核主泵全流域流场分布特性及泵腔压力分布规律,得到了平衡孔及后密封间隙对核主泵轴向力的影响机理,对于核主泵的优化设计具有一定参考价值。
【图文】：

示意图,压水堆核电站,回路系统,主泵

核主泵内部流动及轴向力数值研究中，被广泛使用的是压水堆技术，图 1.1 所示为压水堆核岛系系统中，作为能动部件，各类泵机组起着十分关键的作用。如中用于驱动冷却剂循环运动的泵被称为核主泵（简称主泵），一，也是一回路中唯一高速旋转的能动部件，其作用是通过对冷却剂在反应堆与蒸汽发生器之间循环流动，，以此来将堆芯核量传递给二回路中蒸汽发生器，通过蒸汽发生器连续不断的产推动汽轮机旋转并带动发电机组运转从而发电。核主泵能否正整个核岛的安危，因此核主泵又有着核岛心脏之称[4-6]。

主泵,结构示意图

第 3 章核主泵建模及其网格划分泵的基本参数对象为一离心式核主泵，结构如图 3.1 所示。该核主泵数为 5，叶轮前后均设有密封间隙，为了尽可能大的减后盖板上的轴向力，叶轮后盖板与热屏之间设置了双密隙几何参数保持一致，单边间隙为 0.3mm，间隙长度为置有直径为 10mm 的平衡孔，共 5 个，均布于圆周方向表 3.2 分别列出了该核主泵设计参数和主要过流部件的统运行的要求，该核主泵需在高低两种转速（2850r/min，本文研究内容是基于该核主泵高转速工况（2850r/min如未作特殊说明，均表示是在高转速工况（2850r/min）
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM623.4

【参考文献】