1000MW核电站离心式上充泵水力设计与结构可靠性研究

发布时间：2020-10-02 11:08

　　本文系国家杰出青年基金(编号：50825902)、江苏省科技支撑计划(工业部分)(编号：BE2010156)、江苏省高校研究生科研创新计划(编号：CX08B-0632)和镇江市工业科技攻关计划(编号：GY2008002)资助项目部分内容。离心式上充泵是核电站一回路的化学和容积控制系统(RCV)的重要组成部分,是最关键的核电动力设备之一,也是难度仅次于主泵的核安全Ⅱ级设备。离心式上充泵是一种卧式、双壳体、筒状多级离心泵,具有流量小、扬程高、转速高、汽蚀要求高、配套电机功率大的特点,核电规范要求该泵必须要高精度地达到5个工况点的性能,同时还要满足热冲击和抗震要求,技术难度大。目前国内1000MW核电站离心式上充泵全部进口,国产化应用业绩仍为空白。业内公认制约上充泵国产化的最大难题是水力模型样机的研发。另外,上充泵的结构设计、抗热冲击性能、抗震性能和转子扭振等结构可靠性研究也是制约上充泵国产化的重要因素。本文通过对离心式上充泵水力模型开发、水力性能数值模拟、4级水力模型样机的性能和汽蚀试验、转子动力扭振计算、热固耦合计算以及抗震计算等多方面研究,旨在解决制约上充泵国产化的水力设计和结构可靠性等方面的技术难题,为离心式上充泵国产化提供理论基础。本文主要研究工作和创造性成果有： 1.全面系统地分析了国内外高温高压双壳体多级离心泵研究进展,介绍了上充泵在1000MW核电站中的重要作用,给出了核电站离心式上充泵在水力性能和结构上的特殊设计要求。在此基础上,针对上充泵水力设计、结构设计、转子系统临界转速计算、热固耦合计算、抗震计算等相关理论发展进行了较全面深入的分析,制定了最终上充泵的结构设计方案。 2.对上充泵吸水室8种设计方案内部流场进行了定常流动的数值模拟对比研究。采用RANS雷诺时均方程进行数值求解,以RNG k-ε湍流模型来封闭雷诺应力项,应用SIMPLEC算法进行不可压缩流动压力场的求解,实现了对8种设计方案下叶轮内部流场的三维粘性湍流数值模拟。通过对设计流量工况及非设计流量工况下8种方案吸水室内部流动速度、压力、湍动能分布的对比分析,发现：较大的吸水室入口可以有效降低水力损失,但环形空间采用弧形和直形结构对水力损失影响不大,计算结果表明,良好的直形环形空间甚至比弧形结构水力损失小。通过对8种吸水室设计方案的分析和评估,为最终进行上充泵首级叶轮优化水力设计提供理论基础。 3.首次采用多级离心泵多工况水力设计方法,对上充泵首级叶轮、次级叶轮进行了定常流动和非定常流动的数值模拟对比研究。其中首级叶轮采用8种设计方案,次级叶轮采用8种设计方案。结果表明：首级叶轮的汽蚀性能受叶轮几何结构参数影响较大,另外,导叶进口速度和压力沿周向分布呈明显的周期性波动特征,叶轮出口射流和尾流区的存在与否及所处位置与泵的流量及叶轮结构形式有很大关系,进一步证实了上充泵内从叶轮到导叶整个流场的强非对称流动特征。通过不同设计方案及不同流量工况下的数值模拟对比分析,揭示了叶轮和导叶之间的动静干涉对流场的影响。通过对多个设计方案不同流量工况下的数值模拟,数值预测了离心泵的性能曲线。对上充泵而言,因其要求水力性能满足多个工况点,而常规水力设计方法又不能达到设计要求,因此多工况水力设计方法很好地解决了这一难题,为上充泵水力设计提供了一种新途径。 4.为验证上充泵的水力设计,制造了4级上充泵样机,通过外特性实验对上充泵的水力性能试验和汽蚀性能试验研究,并与数值计算的结果进行对比,证明了水力设计的正确性,以及数值模拟的准确性和性能预测的可行性。4级样机水力试验结果经相似换算后与所要求性能参数进行对比结果表明：所要求的5个工况点水力性能达到要求,最大流量工况点发生最大偏差,为4.7%。4级样机利用皮带轮将转速增加到4500 r/min,进行了汽蚀性能试验,汽蚀性能达到设计要求。在此基础上,进行了12级实型上充泵水力性能的数值计算。 5.首次对上充泵进行了转子系统临界转速分析。分析计算了几种不同因素对上充泵转子部件固有频率(可转化为临界转速)的影响,然后综合各种条件计算了转子部件的临界转速。经计算,转子部件在弹性支承下的一阶固有频率为253.405Hz,即15204.3 r/min,而上充泵的实际额定转速为4500 r/min,表明上充泵的结构动力学设计是满足设计要求的。另外,支承刚度对转子部件临界转速的影响比较大,准确地简化支承,合理地确定支承的刚度、阻尼矩阵是计算临界转速必不可少的前提。 6.首次对上充泵外壳体进行了压力应力分析、瞬态热分析,热应力分析和间接法耦合分析,给出应力叠加法和间接耦合法的应力评定结果与比较。压力应力强度的最大值发生在外壳体端部的内壁节点1849上,总应力强度为42.91 MPa。间接耦合法求解的组合应力强度的最大值也发生在外壳体端部的内壁节点1849上,组合的总应力强度为42.83 MPa。应力叠加法与间接耦合法关于PL+Pb+Q≤3Sm的评定结果基本一致。 7.首次对上充泵进行了抗震分析。采用ANSYS有限元软件,针对国内压水堆核电站用双层壳体离心式上充泵,建立了三维有限元模型,求出了上充泵固有频率和振型,并对上充泵在OBE和SSE地震荷载作用下进行了抗震性能计算分析,计算结果表明：(1)在模态分析中看到上充泵的基频为655.138 Hz,远大于33 Hz,表明上充泵整体为刚性结构。另外,第一阶振型沿水平方向,显示地震作用下的位移响应以水平方向为主。表明在设计阶段考虑增加上充泵水平方向的强度,可以有效减弱地震作用对上充泵的影响。(2)在OBE地震载荷、自重、温度同时作用下,上充泵最大应力响应发生在外壳体中部,为69.13 MPa,按第三强度理论校核,在许用值内,满足核电厂抗震设计规范二级部件要求；在SSE地震载荷、自重、温度同时作用下,上充泵最大应力响应发生在外壳体中部,为103.47 MPa,按第三强度理论校核,在许用值内,满足核电厂抗震设计规范二级部件要求,因此上充泵在OBE和SSE地震载荷作用下,能够保证结构完整性和可运行性。(3)计算得到位移最大响应发生在外壳体中部,为0.345 mm,远小于静止部件和转动部件之间的间隙1 mm,说明双层壳体离心式上充泵在结构上满足抗震要求。满足核电厂抗震设计规范二级部件要求,能够保证结构完整性和可运行性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2010
【中图分类】：TH311
【文章目录】：
摘要
Abstract
符号表
第一章绪论
    1.1 国内外能源与环境现状
        1.1.1 国内外能源现状
        1.1.2 国内外环境状况
        1.1.3 核能发电的优点
    1.2 国内外核电发展现状及趋势
        1.2.1 世界核电发展历程
        1.2.2 国内核电发展历程
        1.2.3 核电站关键用泵国产化的紧迫性
    1.3 国内外耐高温高压双壳体多级离心泵研究进展
        1.3.1 多工况及非设计工况水力设计研究进展
        1.3.2 CFD技术在离心泵中的应用研究进展
        1.3.3 离心泵内全流场非定常数值模拟研究进展
        1.3.4 热固耦合研究进展
        1.3.5 抗震研究进展
        1.3.6 高温高压多级双壳体离心泵技术发展现状
    1.4 国内外核电站离心式上充泵研究现状
        1.4.1 上充泵在核电站中的作用及功能
        1.4.2 国内外上充泵研究现状
    1.5 本文主要研究内容
第二章核电站离心式上充泵设计基本理论
    2.1 核电站离心式上充泵设计基本要求
        2.1.1 上充泵性能参数要求
        2.1.2 上充泵各种工况的水力性能
        2.1.3 上充泵的其它要求
    2.2 上充泵水力设计基本理论
        2.2.1 上充泵多工况点水力设计思路
        2.2.2 吸水室水力设计理论
        2.2.3 叶轮多工况水力设计理论
        2.2.4 双蜗壳结构导叶水力设计理论
    2.3 热固耦合理论
        2.3.1 热传导微分方程及定解条件
        2.3.2 热传导问题的有限元法
        2.3.3 热应力分析的有限元方法
    2.4 抗震计算理论
        2.4.1 结构自由振动计算
        2.4.2 反应谱法的一般原理
        2.4.3 动力反应的振型分解
        2.4.4 振型分解反应谱理论
    2.5 上充泵整体结构设计与材料选用
        2.5.1 上充泵整体结构设计
        2.5.2 上充泵材料选用
    2.6 本章小节
第三章吸水室水力设计方案及数值计算
    3.1 基本结构及优化设计方案确定
    3.2 吸水室三维造型、计算方法与边界条件
        3.2.1 三维造型及网格划分
        3.2.2 计算方法及边界条件
    3.3 吸水室水力性能数值计算结果及分析
        3.3.1 基本流态分析
        3.3.2 吸水室出口断面流场分析
        3.3.3 水力损失特性分析
    3.4 本章小结
第四章上充泵首级叶轮汽蚀性能数值模拟及试验研究
    4.1 首级叶轮优化方案确定
    4.2 三维造型
    4.3 稳态数值模拟计算结果及分析
        4.3.1 静压分布的计算结果及分析
        4.3.2 速度分布的计算结果及分析
        4.3.3 非设计工况计算结果及分析
    4.4 汽蚀对压力脉动影响的非定常计算
    4.5 汽蚀试验研究
        4.5.1 汽蚀试验装置介绍
        4.5.2 试验结果及分析
    4.6 本章小结
第五章上充泵次级叶轮水力设计的数值模拟
    5.1 次级叶轮设计方案确定
    5.2 次级叶轮数值计算结果及分析
        5.2.1 静压分布的计算结果及分析
        5.2.2 速度矢量分布的计算结果及分析
    5.3 水力性能计算结果及影响因素分析
        5.3.1 各种方案次级叶轮的水力性能计算结果
        5.3.2 正导叶喉部面积对性能的影响
        5.3.3 反导叶强迫预旋对性能的影响
    5.4 次级叶轮导叶组合非定常数值计算
        5.4.1 非定常数值计算设置
        5.4.2 计算结果及分析
    5.5 本章小节
第六章上充泵整机水力性能数值计算及试验研究
    6.1 上充泵四级样机水力性能数值计算及结果分析
        6.1.1 数值模拟中水力效率的计算
        6.1.2 上充泵四级样机三维造型及网格划分
        6.1.3 上充泵四级样机水力性能数值计算结果及分析
    6.2 上充泵四级样机水力性能试验研究
        6.2.1 上充泵四级样机水力性能试验装置
        6.2.2 上充泵四级样机水力性能试验结果及分析
    6.3 十二级实型上充泵数值计算
        6.3.1 十二级实型上充泵三维造型及网格划分
        6.3.2 十二级实型上充泵水力性能数值计算结果及分析
    6.4 本章小结
第七章上充泵转子部件临界转速计算分析
    7.1 转子部件的共振与临界转速
        7.1.1 临界转速基本概念
        7.1.2 计算临界转速的有限元法
        7.1.3 陀螺力矩的影响
    7.2 分析中单元的使用
        7.2.1 问题描述
        7.2.2 实体建模
        7.2.3 单元选取及网格划分
        7.2.4 求解方法
        7.2.5 材料及物理性能
    7.3 三支承干态与湿态条件下转子固有频率分析
        7.3.1 三支承干态条件下转子固有频率分析
        7.3.2 三支承湿态条件下转子固有频率分析
    7.4 各种条件变化对固有频率的影响
        7.4.1 二支承与三支承对固有频率的影响分析
        7.4.2 轴承跨距对固有频率的影响
        7.4.3 支承刚度对固有频率的影响
    7.5 湿态条件下转子临界转速计算
    7.6 本章小节
第八章上充泵外壳体热固耦合分析
    8.1 造型及网格划分
    8.2 外壳体热固耦合与边界条件载荷处理
        8.2.1 边界条件载荷处理
        8.2.2 计算步骤方案
    8.3 外壳体在瞬时7℃升至120℃的热瞬态计算结果及分析
        8.3.1 不同时刻整体温度分布计算结果及分析
        8.3.2 不同时刻整体温度梯度分布计算结果及分析
        8.3.3 不同节点温度随时间变化结果及分析
        8.3.4 不同节点温度梯度随时间变化结果及分析
    8.4 外壳体在瞬时7℃升至120℃的热应力计算结果及分析
        8.4.1 不同时刻整体等效应力分布计算结果及分析
        8.4.2 不同时刻整体位移分布计算结果及分析
        8.4.3 不同节点等效应力线性化结果及分析
        8.4.4 应力评定
    8.5 本章小节
第九章上充泵整体抗震分析
    9.1 核电规范对上充泵抗震计算的基本要求
        9.1.1 核电厂物项划分
        9.1.2 抗震等级
        9.1.3 对上充泵抗震计算模型的要求
        9.1.4 对上充泵抗震计算的要求
        9.1.5 地震作用要求
        9.1.6 核电泵抗震指标
        9.1.7 核电泵抗震分析判定
    9.2 上充泵抗震计算模型与边界条件
        9.2.1 计算模型
        9.2.2 地震作用载荷
        9.2.3 阻尼载荷
        9.2.4 自重载荷
        9.2.5 动力件激振力载荷
        9.2.6 上充泵内部液体晃动力载荷
        9.2.7 载荷工况组合
    9.3 基于反应谱法抗震分析
        9.3.1 模态分析
        9.3.2 谱分析及模态扩展
    9.4 时程分析地震波拟合
        9.4.1 快速傅里叶变换
        9.4.2 频率响应分析
        9.4.3 地震波拟合
    9.5 OBE地震作用下的计算结果及分析
        9.5.1 OBE地震作用下的位移响应计算结果及分析
        9.5.2 OBE地震作用下的应力响应计算结果及分析
    9.6 SSE地震作用下的计算结果及分析
        9.6.1 SSE地震作用下的位移响应计算结果及分析
        9.6.2 SSE地震作用下的应力响应计算结果及分析
    9.7 本章小节
第十章结论与展望
    10.1 研究结论
    10.2 进一步研究展望
参考文献
作者攻读博士学位期间承担的科研项目和取得的科研成果
致谢

【引证文献】