余热排出泵的气液两相流研究

发布时间：2020-07-22 23:46

【摘要】：余热排出泵是唯一一种安放在核岛安全壳内的核电站二级泵,同时作为核电站余热排出系统的关键设备,存在于一级回路系统中,它主要的功能是排出系统中的余热,它的运行稳定性直接影响着核电站的运行安全具有非常重要的作用。由于开机排气的过程中造成余热排出泵处于复杂的气液两相流动状态,泵的扬程和效率均会出现较大的影响,且其泵内部流动特性表现得就更为复杂且不易捕捉。因此在气液两相流工况下,对余热排出泵流动机理和特性展开研究,对其设计以及核电站安全稳定性都有重要的意义。通过对余热排出泵水力模型进行设计,本文在气液两相流工况下,基于数值计算方法计算了泵内部流场,得到了余热排出泵内整个流场的流动特征,结论如下:(1)对设计的余热排出泵进行了单相定常计算,得到了其外特性性能曲线图和内部流场流动规律,同时对余热排出泵样机进行了外特性试验验证,数值计算结果与试验结果变现为良好的匹配性。(2)基于对泵内压力脉动产生机理分析,在3个典型流量0.8Q、1.0Q和1.2Q工况下,研究了不同含气率10%、15%、20%和30%对余热排出泵的内部流场的影响,得到了其外特性变化特征,还分析了泵内压力脉动分布特性。(3)定义了导叶周向相对位置安放角α,在设计流量下以及4个含气率10%、15%、20%和30%工况下,研究了不同导叶周向安放角度0、10°、20°和40°对余热排出泵内部流场的影响特性,得到了其外特性变化特征,研究了叶轮与导叶动静干涉作用下叶轮径向力的变化规律,同时还得到了余热排出泵在不同含气率下的内部流场特性。通过对余热排出泵气液两相流工况下的研究,旨在揭示泵在运动过程中的流动特性,特别是泵内气液混合所表现出来的复杂流动特征,进而为余热排出泵的设计和优化提供一定的理论依据和参考。同时由于本文仅在3个流量工况下研究了余热排出泵的特性,后续的研究可以在小流量和大流量工况下做更深入的研究,而且还可以对余热排出泵高温高压真实的运行工下进行研究分析,为工程应用奠定理论基础。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623
【图文】：

核电站

全球温室效应越来越显著，全球气候变暖、温室气体排放，另一方面全球化石能源面临枯竭，能源危机也逐渐加剧，在这种情形下，核能是解决上述环境和能源危机的出路之一[1-3]。核电是几乎对大气零排放的清洁能源，同时又是高效的能源，积极发展核电和推进核电建设，不仅能响应经济和社会对可持续能源发展的需求，还能减少煤电对环境的破坏，维护环境[4-5]，核电站如图 1-1 所示。另外，核电的发展有利于我国实现电力工业结构优化和可持续发展，提升我国综合国力。国家重点基础研究发展计划（"973计划"）自一九九七年制定实施以来始终坚持面向国家重大需求，立足国际科学发展前沿，解决中国经济社会发展和科技自身发展中的重大科学问题。计划中指出大力发展核能是针对我国能源供应紧张、石油安全问题凸现、能源效率低下、环境污染严重、可持续发展压力巨大的严峻形势的重要出路之一[6]。二 00 七年十月，《国家核电发展专题规划(2005-2020 年)》正式得到了国务院批准，该规划确定了我国的核电发展的思路是走引进、消化和吸收，然后自主创新的路线，首先是要全面攻破第三代百万千瓦级压水堆核电站工程设计和设备制造技术，到 2020 年形成较大规模批量化建设中国品牌核电站的能力[7-9]。

结构图,余热排出,结构图

在百万千瓦核电站中的重要设备中，余热排出泵是唯一一种安放在核岛安全壳内的站二级泵，同时作为 RRA 的重要组成部分，它的运行稳定性直接影响着核电站的安全，具有非常重要的作用[12]。余热排出泵存在于一级回路系统中，在反应堆停的过程中，反应堆冷却剂通过余热排出泵流经到 RRA 热交换器，然后回到反应堆容器中，并在两者之间循环运动，使反应堆中的余热排放出去，从而确保核电厂正常停堆和非正常停堆仍能稳定运行状态。与此同时在众多核电厂中，余热排出泵到低压安全注射功能[13-14]。余热排出泵结构图如图 1-2 所示，其结构形式一般为单级单吸、卧式、后开门式，并由中心线支承。其中多采用水平吸入、竖直方向排出的结构形式。叶轮外端并有径向导叶，起到平衡径向力的作用，压水室为环形结构，其结构如图 1-3 所示由于其在核电领域特殊的运用场合，设计寿命需达到 40 年，而且要求其 Q-H 曲线在从最小流量到最大流量变化范围内不会出现过大的变动，且在规定的任何工况下有汽蚀现象产生。其振动频率必须控制在 10~1000 Hz 范围内，同时还对其作常温8℃热冲击试验等。

叶轮,流体,过流部件,湿周

图 3-1 叶轮流体域重要过流部件，它主要起着过流作用，改3 2D =（ 1 .03 ~ 1.05）D 转速较高或尺寸较小时取大值，反之取b32之差最小不应小于 2mm，一般推荐导叶b3=（1.15~1.25）b2Zd 4~10 片，要求喉部湿周尽可能小，使该

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