CN103104546A

CN103104546A - 一种核主泵叶轮的设计方法

Info

Publication number: CN103104546A
Application number: CN2013100696297A
Authority: CN
Inventors: 朱荣生; 付强; 王秀礼; 袁寿其; 习毅
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2013-05-15

Abstract

本发明涉及一种核主泵叶轮的设计方法。它通过控制叶轮主要几何参数：进口直径、叶轮出口直径、叶轮叶片的出口宽度以及选择合适的比转数、转速来使核主泵在液相尤其是在汽液两相工况下具有较高的影响，进而降低核主泵失水事故工况时发生核安全事故的可能性。轮叶片前盖板侧厚度比后盖板侧厚度约小15％，且叶片厚度从前盖板侧向后盖板侧按照线性均匀增厚；叶片从进口边沿着流线方向到出口的厚度逐渐增大，其中进口边厚度为出口边厚度的35％左右；叶轮的叶片数为5个；核主泵的转速在1750r/min以上，比转数在380～430之间。

Description

一种核主泵叶轮的设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械，特别涉及一种适用于汽液两相工况核主泵叶轮的设计方法。

背景技术

反应堆冷却剂主循环泵(简称“核主泵”)是核电站一回路系统中唯一高速旋转设备，也是最关键的核动力设备之一，位于反应堆与蒸汽发生器之间，主要用于驱动核岛内高温、高压及强辐射冷却剂在一回路循环，将反应堆芯核裂变产生的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动核岛外的汽轮机发电。在地震、剧烈振动、过高管路压力等突发情况可能导致管道破裂，即失水事故的发生，管道破裂后管路内的压力将迅速下降，致使输送的冷却剂发生汽化，最终导致流入核主泵的冷却剂不再是单一的液相，而是汽相和液相的混合物。与单一液相相比，汽液两相工况下，核主泵的扬程等性能将会下降，进而不能为反应堆芯提供足够的冷却剂，当给反应堆提供的冷却剂不够时，反应堆芯的温度会升高，从而使反应堆不能正常运行，甚至核事故的发生。因此设计出一种在单一液相和一定汽体含量工况下均有较高性能的核主泵叶轮很有必要。

发明内容

本发明提供了一种能使核主泵在单一液相或汽液两相工况下均有较高性能的叶轮设计方法，本设计方法通过控制核主泵叶轮的几个重要设计参数，来实现核主泵在单一液相和汽液两相时均有较高性能，降低汽体含量对核主泵性能的影响，进而达到减小核事故发生的可能性。

实现上述目的所采用的技术方案是：

(1)提高泵的转数

提高泵的转数可以使高含气量的介质得到压头补偿，但过高的增压又将增大泵内两相分离的可能性。初步选取核主泵转速n＝1750r/min，并且可以辅以变频器实现对更高转数的需要。

(2)比转数的选择

比转数n_s越小，泵送相同物性和排量的介质所增加的压头就越高，但是气液两相的分离现象将越严重。比转数n_s也不宜过高，否则将达不到泵送混合物的目的，并且有可能降低泵轴的刚性，增大泵的磨损几率，因此应该合理地选择泵的比转数n_s。参考优秀模型泵的比转数，并在其基础上进行一定范围的降低，设计时n_s在380～430之间选择。

(3)叶轮进口直径D_i

D_{j} = (3.65 + \frac{n_{s}}{300}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}}

式中：D_j-叶轮进口直径，米；

Q-设计工况的流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分；

n_s-比转数。

(4)取叶轮出口直径为叶轮前后盖板直径的算数平均值。

D_{2} = \frac{D_{20} + D_{2 h}}{2} = (0.901 + \frac{n_{s}}{3571}) \cdot (0.99 + \frac{n_{s}}{10^{5}}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}}

式中：D₂-叶轮出口直径，米；

D₂₀-叶轮最大出口直径，米；

D_2h-叶轮最小出口直径，米；

Q-设计工况的流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分；

n_s-比转数。

(5)出口宽度b₂

b_{2} = (1.23 - \frac{n_{s}}{1263}) \cdot (0.975 - 2 \cdot \frac{n_{s}}{10000}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}}

式中：b₂-叶轮叶片出口宽度，米；

Q-设计工况的流量，立方米/秒；

n-叶轮转速，转/分；

n_s-比转数。

(6)叶片出口安放角β₂

叶片出口安放角β₂＝20°～25°，比转数大取小值。

一种可在液相和一定汽体含量工况下均保持较高性能的核主泵叶轮，其结构包括：叶轮前后盖板、叶片、轮毂等。叶轮的进口直径、出口直径、叶片出口宽度采用上述设计方法确定。叶轮叶片前盖板侧厚度比后盖板侧厚度约小15％，且叶片厚度从前盖板侧向后盖板侧按照线性均匀增厚；叶片从进口边沿着流线方向到出口的厚度逐渐增大，其中进口边厚度为出口边厚度的35％左右；叶轮的叶片数为5个。

本发明的有益效果是：本设计方法设计的叶轮具有优秀的水力性能，能够使核主泵液相和一定含气量工况下均保持较高的效率及扬程，并且其气体含量对该核主泵性能的影响比一般泵小。

附图说明

图1是本发明一个实施例的叶轮轴面投影图

图2是同一个实施例的叶轮叶片图

图中：1.叶轮前盖板，2.叶轮进口直径，3.叶轮最大出口直径，4.叶轮最小出口直径，5.叶轮后盖板，6.叶轮叶片出口宽度，7.叶片，

具体实施方式

图1是实例的轴面投影图。和大多数叶轮一样具有叶轮前盖板(1)，叶轮后盖板(5)，是一种闭式叶轮，且叶片数为5，能够改善流动情况，提高混输泵的水力性能和抗气体对其输送能力的影响。本发明通过以下几个关系式来确定叶轮的形状：叶轮进口直径D_j(2)、叶轮出口直径D₂、叶轮叶片出口宽度b₂(6)。

D_{j} = (3.65 + \frac{n_{s}}{300}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}};

D_{2} = \frac{D_{20} + D_{2 h}}{2} = (0.901 + \frac{n_{s}}{3571}) \cdot (0.99 + \frac{n_{s}}{10^{5}}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}};

b_{2} = (1.23 - \frac{n_{s}}{1263}) \cdot (0.975 - 2 \cdot \frac{n_{s}}{10000}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}} .

并选取较高的转速n，较为合适比转数n_s及叶片出口安放角β₂来设计叶轮，叶轮叶片前盖板侧厚度比后盖板侧厚度约小15％，且叶片厚度从前盖板侧向后盖板侧按照线性均匀增厚；叶片从进口边沿着流线方向到出口的厚度逐渐增大，其中进口边厚度为出口边厚度的35％左右；叶轮的叶片数为5个。通过上述方法最终设计出一种在单一液相和汽液两相工况下均有较高性能的核主泵叶轮。

Claims

1.一种核主泵叶轮的设计方法，其特征包括叶轮主要几何参数：进口直径、叶轮出口直径、叶轮叶片出口宽度的设计公式以及叶片出口安放角、泵比转数、叶轮转速的选取。其特征在于：叶轮的几何参数由以下公式确定：

D_{j} = (3.5 + \frac{n_{s}}{500}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}};

D_{2} = (9.31 ~ 9.75) {(\frac{n_{s}}{100})}^{- 1 / 2} \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}};

b_{2} = (1.05 - \frac{n_{s} - 200}{1263}) \cdot (1 - 2.12 \cdot \frac{n_{s} - 135}{10000}) \cdot \sqrt[3]{\frac{Q}{n}} .

式中：Q-设计工况的扬程，米；

D₂-叶轮出口直径，米；

b₂-叶轮叶片出口宽度，米

n-叶轮转速，转/分；

n_s-比转数，转/分。

2.根据权利要求1所述的一种在单一液相和汽(气)液两相工况下均有较高性能的核主泵叶轮设计方法，其特征在于：该核主泵叶轮结构包括：叶轮前盖板(1)、叶轮后盖板(5)、叶片(7)。叶轮的进口直径、出口直径、叶片出口宽度采用上述设计方法确定；叶轮叶片前盖板侧厚度比后盖板侧厚度约小15％，且叶片厚度从前盖板侧向后盖板侧按照线性均匀增厚；叶片从进口边沿着流线方向到出口的厚度逐渐增大，其中进口边厚度为出口边厚度的35％左右；叶轮的叶片数为5个。

3.如权利1所述的核主泵叶轮的设计方法，其特征在于设计时采用的转速较高，一般在1750r/min以上，其比转数n_s在380～430之间。