CN102207101B - 一种基于cfd的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮 - Google Patents

Abstract

一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮，属于泵设计与制造技术领域。其特征是基于CFD的核主泵模化设计方法分为四个步骤，步骤一是根据百万千瓦级核主泵的设计参数，选择一个与预设计泵叶轮满足相似条件的模型泵叶轮；步骤二是利用传统模化设计公式计算尺寸变换系数，在一定范围内选取3～4个不同尺寸系数以变换模型泵叶轮；步骤三是对步骤二中得到的3～4种泵叶轮分别进行数值模拟，对尺寸系数与扬程的关系进行对数拟合，得到满足要求的核主泵叶轮；步骤四是对步骤三中得到的核主泵叶轮进行优化，完成设计。本发明的效果和益处是解决了高温高压大流量百万千瓦级核主泵的设计问题，设计过程简洁高效可控。

Description

一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮

技术领域

本发明属于泵设计与制造技术领域，涉及一种基于CFD数值模拟模化设计的核主泵叶轮，应用于百万千瓦级核电站一回路的核主泵中驱动高温高压大流量放射性冷却剂循环，是核岛中唯一的动元件。

背景技术

在压水堆核电站中，一回路循环的工质水与核反应直接接触，吸收和传递大量的热量，使工质工作温度、工作压力很高，工作流量很大，还具有放射性，因此与之匹配的驱动冷却剂工质循环的核主泵具有高温高压大流量的特征，这一特征就是百万千瓦级核主泵的设计难点之一。另一方面，由于核反应堆的热量是由核主泵驱动一回路工质水循环带走，所以核主泵是核电站中最重要的泵，也是核岛内唯一高速运转的装备，无论是对安全性还是对性能，它的要求都比普通水泵高很多。核主泵若频繁的停机会给电厂造成巨大的经济损失，核主泵的突发性故障甚至可能带来不可估量的灾难，核主泵中也绝不能发生汽蚀现象，因此，对核主泵安全系数的要求非常高，一般要求其能够安全无故障运行60年。核主泵主要由泵壳、叶轮、电机等部件组成，叶轮是其主要水力部件，也是唯一的动元件，叶轮的几何形状、结构尺寸对核主泵性能影响很大，具有优秀水力性能的叶轮可以很大程度减少流动损失，降低能耗。

传统的叶片泵设计方法主要有两种，一种是以速度系数法为基础的经验统计法，这种方法是一元、二元设计方法，主要依赖经验和试验，如果是偏离试验数据太大的设计参数(如核主泵的设计参数)，设计中盲目成分就增大，甚至不能完成设计，且设计过程繁琐，重复工作量极大，致使设计周期很长，虽然目前可以利用计算机代替部分复杂工作，但这种方法不能从根本上解决设计繁琐，设计出的产品性能不高，修改设计很难等问题。另一种是以相似理论为基础的模化设计方法，此方法较速度系数法简单可靠，不仅可以用于叶轮的设计，还可用于整个泵流道的设计，但此方法也有其局限性，对于尚不成熟的某些类型泵的水力设计而言，尤其是目前国内仍处于空白的核主泵的水力设计，选取严格符合相似条件的模型泵就很困难，近似符合相似条件的话设计出的产品精度又不高，调整的工作量大。目前，核主泵叶轮的设计方法亟待提高，需要创新性的方法克服传统设计的种种缺陷。

我国核主泵的设计和制造水平与发达国家相比差距相当大，由于国外少数几个核大国对核主泵设计和制造的核心技术进行封锁，目前国内所有在运行和在建的核电站主泵全部是从国外采购，只有出口巴基斯坦恰希玛一期30万千瓦核电站的核主泵是沈阳水泵厂和哈尔滨电机厂与西德合作生产制造，国产化率仅达到50％。沈阳水泵股份有限公司是国内唯一一家具有核主泵设计制造能力的厂家，但是在设计制造百万千瓦级核电站用核主泵方面还有许多关键技术尚未突破，技术上还处于空白。国家“973”项目正在努力实现核主泵的国产化设计与制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于CFD数值模拟的核主泵模化设计方法及运用该方法设计的一个百万千瓦级核主泵叶轮。

本发明的技术方案是：

一种基于CFD数值模拟的核主泵模化设计方法包括以下步骤：

步骤1、本方法的理论基础是模化设计，首先根据百万千瓦级核主泵的设计参数，选择一个与预设计泵叶轮满足相似条件的模型泵叶轮。模型泵叶轮满足与设计泵叶轮特性相似，二者的比转速相同或相近；模型泵叶轮效率要高，高效区要宽，性能曲线无驼峰，流动特性优秀；模型泵抗汽蚀性能要良好。符合上述要求的模型泵叶轮经过以下两个步骤得到。

(1)选择与预设计泵叶轮比转速相近的成熟产品泵叶轮作为初始模型。

(2)基于遗传算法，以效率为目标函数优化初始模型泵叶轮，优化过程采用Numeca软件中的Design3D模块实现。优化后的初始模型泵叶轮的流动特性可达到上述要求，此叶轮作为最终模型泵叶轮。

步骤2、利用传统模化设计公式①计算尺寸变换系数λ₀，并在(λ₀-0.1)～(λ₀+0.1)范围内选取3～4个不同尺寸系数λ₁～λ₄，根据这些尺寸系数分别变换模型泵叶轮得到3～4种泵叶轮。

$\mathrm{\λ}=\frac{n_M}{n}\sqrt{\frac{H}{H_M}}$ ①

①式中n是转速，H是扬程，带下标M的是模型泵参数，不带下标M的是设计参数。

步骤3、百万千瓦级三代核主泵的工作条件是：温度达280～350℃，压力达15.1～17.5MPa，流量达17000～22000m³/h。利用Numeca软件中的Fine/Turbo模块，选取上述参数范围内的一组温度、压力、流量作为数值模拟的边界条件，对步骤2中得到的3～4种泵叶轮分别进行数值模拟，得到3～4个扬程H₁～H₄，然后对尺寸系数与扬程的关系进行对数拟合，再将要求的设计扬程代入拟合公式中即可得到精确的尺寸变换系数λ，最后将模型泵叶轮按照该尺寸系数λ变换就得到满足要求的核主泵叶轮。

步骤4、为使步骤3中得到的核主泵叶轮性能达到最高，基于遗传算法，以效率作为目标函数，利用Design3D模块对其进行的优化。优化后叶轮水力效率达到93％以上，最终实现核主泵叶轮的设计。

一种百万千瓦级核主泵叶轮，其结构包括：前盖板、叶片、后盖板、轴。采用上述基于CFD数值模拟的核主泵模化设计方法设计，叶轮叶片进口部分前缘为圆头，倒圆半径为8～12mm，叶顶较叶根前弯10°～20°，出口部分后缘为钝头，叶顶较叶根后弯5°～20°，叶片厚度整体采用变厚度设计：厚度沿流向由不等厚逐渐变成等厚度，叶片进口到50％叶片长度处为变厚度，从50％叶片长度后到出口为等厚度；进口处沿叶高方向厚度逐渐减小，到叶顶处叶片厚度减少到只有叶根处厚度的40～50％，叶片最厚处为20～25mm，叶片的数量为5～7个。前盖板由一段圆弧旋转加厚而成，圆弧半径为390～420mm，后盖板由一段圆弧接一段直线旋转加厚而成，圆弧半径为490～520mm，叶轮出口宽度为170～180mm。

本发明的效果和益处是：

基于CFD数值模拟的核主泵模化设计方法具有独创性，与传统速度系数设计方法相比，解决了传统设计在高参数范围内的失效和盲目性，设计过程更加简洁高效可控，设计周期大大缩短；与传统模化设计方法相比，选取模型泵更加方便。先进的CFD数值模拟技术保证设计过程的精确性，保证设计泵在严格符合设计压力、温度、流量、转速条件下，精确符合设计扬程等性能要求。本方法设计出的核主泵叶轮具有优秀的水力性能，且抗汽蚀性能良好，从而达到安全、提高效率、减少能耗的目的。

附图说明

附图1是本发明的百万千瓦级核主泵叶轮的轴面投影图。

附图2是本发明的百万千瓦级核主泵叶轮的左视图。

附图3是本发明的百万千瓦级核主泵叶轮的叶片图。

图中：1前盖板；2叶片；3后盖板；4轴。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

步骤1、本发明所设计的百万千瓦级核主泵的设计参数如下：温度340℃，压力17.1MPa，流量17886m3/h，扬程111.3m，同步转速1800rpm。叶轮比转速为427，为满足比转速相近的要求，选取某380比转速的成熟产品混流泵叶轮作为初始模型泵叶轮，对此模型泵叶轮进行基于遗传算法的优化，经优化后，其性能曲线平滑，高效区宽广，抗汽蚀性能良好。

步骤2、根据传统模化设计公式①计算尺寸变换系数λ₀＝1.044，以1.044为参考，(1.044-0.1，1.044+0.1)即(0.944，1.144)范围内选取三种尺寸系数λ₁、λ₂、λ₃，本发明选取λ₁＝1，λ₂＝1.044，λ₃＝1.06三种尺寸系数变换模型泵叶轮。

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{n_M}{n}\sqrt{\frac{H}{H_M}}=\frac{750}{1800}\sqrt{\frac{111.3}{17.74}}=1.044$

步骤3、百万千瓦级核主泵AP1000的工作条件：温度340℃，压力17.1MPa，流量17886m³/h，选取此条件为边界条件对步骤2中得到的三种设计泵叶轮分别进行CFD数值模拟，得到模拟结果H₁＝88.5m，H₂＝116，H₃＝129.4m，拟合扬程与尺寸系数间的关系为：H＝722.261n(λ)+86.78，将核主泵要求的设计扬程H＝111.3m代入得到精确的尺寸系数λ＝1.034，将模型泵放大1.034倍即为设计的核主泵叶轮。

步骤4、对步骤3中得到的核主泵叶轮进行CFD数值模拟，其扬程精确满足设计要求111.3m，进一步验证了本设计方法的精确性。最后，对其叶型进行优化，叶片进口部分前缘修为圆头，倒圆半径为9mm，叶顶较叶根前弯12.5°，出口部分后缘为钝头，叶顶较叶根后弯20°，叶片厚度整体采用变厚度设计：厚度沿流向由不等厚逐渐变成等厚度，叶片进口到50％叶片长度处为变厚度，从50％叶片长度后到出口为等厚度；进口处沿叶高方向厚度逐渐减小，到叶顶处叶片厚度减少到只有叶根处厚度的40％，叶片最厚处为25mm，叶片的数量为5个。

Claims (2)

1.一种基于CFD的核主泵模化设计方法，其特征包括以下步骤：

步骤1、选择一个与预设计泵叶轮比转速相似的模型泵叶轮；符合要求的模型泵叶轮经过以下两个步骤得到；

（1）选择与预设计泵叶轮比转速相近的成熟产品泵叶轮作为初始模型；

（2）基于遗传算法，以效率为目标函数优化初始模型泵叶轮，优化过程采用Numeca软件中的Design3D模块实现，优化后叶轮作为最终模型泵叶轮；

步骤2、利用传统模化设计公式                                               

计算尺寸变换系数λ₀，并在（λ₀-0.1）~（λ₀+0.1）范围内选取3～4个不同尺寸变换系数λ₁～λ₄，根据这些尺寸变换系数分别变换模型泵叶轮得到3～4种泵叶轮；

                                    

式中n是转速，H是扬程，带下标M是模型泵参数，不带下标M是设计参数；

步骤3、百万千瓦级三代核主泵的工作条件是：温度达280～350℃，压力达15.1～17.5MPa，流量达17000～22000m³/h，利用Numeca软件中的Fine/Turbo模块，选取上述参数范围内的一组温度、压力、流量作为数值模拟的边界条件，对步骤2中得到的3～4种泵叶轮分别进行数值模拟，得到3～4个扬程H₁～H₄，对尺寸变换系数与扬程的关系进行对数拟合，再将要求的设计扬程代入拟合公式中即可得到精确的尺寸变换系数λ，最后将模型泵叶轮按照该尺寸变换系数λ变换就得到满足要求的核主泵叶轮；

步骤4、为使步骤3中得到的核主泵叶轮性能达到最高，基于遗传算法，以效率作为目标函数，利用Design3D模块对其进行的优化，优化后叶轮水力效率达到93%以上，最终实现核主泵叶轮的设计。

2.应用权利要求1所述设计方法设计的百万千瓦级核主泵叶轮，其特征在于：该百万千瓦级核主泵叶轮结构包括前盖板（1）、叶片（2）、后盖板（3）、轴（4）；叶片（2）进口部分前缘为圆头，倒圆半径为8～12mm，叶顶较叶根前弯10°～20°，出口部分后缘为钝头，叶顶较叶根后弯5°～20°；叶片厚度整体采用变厚度设计，厚度沿流向由不等厚逐渐变成等厚度，叶片进口到50%叶片长度处为变厚度，从50%叶片长度后到出口为等厚度；进口处沿叶高方向厚度逐渐减小，到叶顶处叶片厚度减少到叶根处厚度的40～50%，叶片最厚处为20～25mm，叶片数量为5～7个；前盖板（1）由一段圆弧旋转加厚而成，圆弧半径为390～420mm，后盖板（3）由一段圆弧接一段直线旋转加厚而成，圆弧半径为490～520mm，叶轮出口宽度为170～180mm。

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