核主泵水力部件动静间隙流与密封特性研究

发布时间：2018-03-31 14:46

本文选题：密封　切入点：核主泵　出处：《大连理工大学》2014年博士论文

【摘要】：我国正逐渐应用第三代核电技术主泵,消化吸收核主泵关键性技术并自主化研发成为我国目前发展核电的关键问题。本文研究核主泵水力部件相关不可压缩流体密封特性,设计较高经济性和安全性的新型密封。在核电站压水堆中,核主泵是唯一的旋转设备,被称为核电站”心脏”设备,其可靠、高效运行是核电站安全运行的核心保障。核主泵叶轮的轮盖和轮盘与静止部件间存在动静间隙。轮盖外表面间隙泄漏失控会造成大量泄漏流返回到叶轮进口,并且干扰主流场,导致核主泵效率下降以及扬程降低,这可能带来反应堆制冷剂供给不足,产生温度过高的危险,所以采用合理的密封结构控制间隙泄漏成为保证核主泵高效运行的重要问题。同时,密封流体为叶轮提供附加刚度、阻尼和惯性系数,具有良好动力特性的密封结构是叶轮安全稳定运行的保证。因此,研究开发兼顾安全性和经济性的水力密封成为核主泵水力部件研究的关键课题。首先,本文研究数值计算方法及湍流模型对不可压缩流体密封计算的影响,分别从流场模拟和动力特性系数两方面进行对比,结合实验结果分析各数值计算方法及湍流模型在模拟泵内密封及间隙流动的特点,同时对本文研究方法的可靠性进行了验证。其次,本文讨论了混流泵叶轮轴向力的计算。口环密封的设置改变了叶轮轮盖和固定部件的间隙的压力分布,从而改变叶轮所受轴向力。本文对理论公式和CFD两种轴向力求解方法进行讨论,同时分析口环密封对轴向力的影响,得出了轴向力随间隙增大而增大的结论。再次,不可压缩流体密封特性是本文的主要研究内容,分为泄漏特性和动力特性两条研究路线。本文把动力特性系数与流体参数(压力和速度)联系起来,用流场参数极坐标变换法预测泵轮盖外表面狭长间隙流体或者光滑环形密封间隙流体在高转速工况下容易产生负直接刚度和较大的交叉刚度,可能造成叶轮涡动失稳,而槽道式密封的刚度特性优于光滑环形密封,直接刚度通常为正值且交叉刚度较小,比等截面光滑密封更加稳定。但槽道式密封的问题在于直接刚度较小,不能为叶轮提供足够的弹性支承,而螺旋密封的刚度特性优于槽道式密封,直接刚度较大,而且交叉刚度为负值,有抑制旋转部件涡动的效果。本文为了进一步提高密封的直接刚度,设计了楔槽弧线密封,这种密封结构为核主泵叶轮提供稳定支承。在泄漏特性方面,本文用摩擦系数做为泄漏特性的研究参数,研究核主泵工况下槽道式密封的槽道摩擦系数随矩形形状的变化规律,得到较高摩擦系数矩形槽道密封。而螺旋密封的泵送效应进一步提高了摩擦系数,在不同螺旋角度的螺旋密封中,20度和30度螺旋密封摩擦系数超过矩形槽道密封的摩擦系数,证明了螺旋密封具有更高的经济性。本文设计的螺旋双尖齿密封和楔槽弧线密封更进一步提高了经济性能,其中螺旋双尖齿密封的封液能力比矩形螺旋密封提高约两倍,本文设计的三种新密封结构已获得两项国家发明专利授权及一项实用新型专利授权。最后,本文讨论了不可压缩流体密封新型设计因素对于密封的能量耗散和动力特性的影响,讨论新型密封结构设计方案和设计效果,为核主泵提供能在大流量高压工况下稳定控制泄漏的新型水力密封。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM623;TH38

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