CN103104549A - 核电站离心式上充泵导叶多工况设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了提供一种满足多工况点要求的核电站离心式上充泵导叶设计方法，其特征是在上充泵导叶设计时，把导叶的几何参数与不同工况点的性能参数联系到一起，使上充泵的实际运行性能曲线与所要求性能曲线一致，达到泵的设计性能曲线与要求的性能曲线重合的效果。采用本发明设计的导叶可以对导叶的几何参数进行调节，达到上充泵性能满足多个工况点要求的目的。本发明可以保证上充泵的实际运行性能曲线与要求性能曲线的一致性，特别适用于多个工况点要求严格的上充泵导叶的设计。

Description

核电站离心式上充泵导叶多工况设计方法

技术领域

本发明涉及一种核电站离心式上充泵导叶的多工况设计方法，既可以在离心泵的低比转速工况设计导叶时使用，也可以在离心泵的高比转速工况设计导叶时使用，尤其适用于对离心泵多工况点性能参数要求严格的情况使用。

背景技术

目前国内百万千瓦级核电站离心式上充泵全部依赖进口，水力设计是制约上充泵国产化的关键因素。上充泵要求的工况点多，流量范围跨度大，加上泵的总压头很高，且工作流量很小，给上充泵水力设计带来很大的挑战。上充泵属于离心泵中的低比转数泵，导叶的流道狭窄。另外，上充泵要求在多个流量工况点都能工作，其跨度范围大大超出一般离心泵的范围，尤其是小流量要求无驼峰，导致水力部件设计非常困难。因此，多工况设计方法成为核电站离心式上充泵导叶设计的必然选择。

发明内容

为了克服现有离心泵导叶设计方法的不足，本发明提供一种新的离心泵导叶的多工况点设计方法，多工况点的数量可以在3～8个之间。采用本发明设计的导叶可以对导叶的几何参数进行调节，达到离心泵的设计性能曲线与要求的性能曲线重合的效果，满足多个工况点要求的目的。本发明专利可以保证离心泵的实际运行性能曲线与要求性能曲线的一致性，特别适用于多个工况点性能要求严格的核电站离心式上充泵导叶的设计。利用以下几个关系式来确定导叶的主要几何参数，主要包括：最优效率工况点流量Q_BEP，最优效率工况点扬程H_BEP，比转数n_sBEP，第i工况点的流量Q_i，传统设计法的第i工况点的扬程H_i′，叶轮转速n，第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值ΔH_i，导叶基圆直径D₃，导叶进口宽度b₃，导叶喉部高度a₃，导叶进口安放角α₃，导叶出口高度a₄，导叶出口宽度b₄，导叶出口直径D₄，反导叶进口直径D₅，反导叶进口宽度b₅和反导叶出口直径D₆。

实现上述目的所采用的设计方法是：

离心式上充泵导叶主要几何参数与不同工况点性能参数之间适合以下几个等式的关系：

${H_i}^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[0.18n_{\mathrm{sBEP}}^{0.46}-(0.0076n_{\mathrm{sBEP}}+1.04)\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)-\left(1.5n_{\mathrm{sBEP}}^{-0.16}\right){\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2]---\left(1\right)$

ΔH_i＝H-H_i′    (2)

ΔH＝max(ΔH₁，ΔH₂，…，ΔH_i，…，ΔH_n)    (3)

$D_3=6.16n^{-0.73}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.62}{b}_3^{-1.2}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.19}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.49}---\left(4\right)$

$b_3=a_3=0.092n^{0.27}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.493}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-5.03}---\left(5\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arcsin \left(0.21n^{0.17}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.21}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.36}\right){(1-\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.56}---\left(6\right)$

$a_4=b_4=0.063n^{-0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{-0.76}{H}_{\mathrm{BEP}}^{0.43}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{5.01}---\left(7\right)$

$D_4=8.63n^{-0.69}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.75}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.58}{b}_3^{-1.1}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.23}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.53}---\left(8\right)$

$D_5=7.42n^{-0.71}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.63}{b}_3^{-1}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.81}---\left(9\right)$

$b_5=0.152n^{0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.73}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.57}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-4.93}---\left(10\right)$

$D_6=2.075n^{-0.56}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.81}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.26}{b}_3^{-1.08}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.63}---\left(11\right)$

式中：Q_BEP——最优效率工况点流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——最优效率工况点比转速；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i′——传统设计法的第i工况点的扬程，米；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，米；

D_3BEP——按最优效率工况点设计的导叶基圆直径，米；

n——叶轮转速，转/分；

D₃——导叶基圆直径，米；

b₃——导叶进口宽度，米；

a₃——导叶喉部高度，米；

α₃——导叶进口安放角，度；

a₄——导叶出口高度，米；

b₄——导叶出口宽度，米；

D₄——导叶出口直径，米；

D₅——反导叶进口直径，米；

b₅——反导叶进口宽度，米；

D₆——反导叶出口直径，米。

在以上关系式中，没有对叶片数、叶片厚度、导叶扩散角、反导叶进出口安放角等提出要求，因此，只要在不影响铸造和加工工艺的前提下，设计时可以根据需要随意控制这几个参数。

根据所要求各工况点组成的性能曲线形状，结合计算值，将α₃在5°～20°之间调整，当曲线陡降时α₃取小值，当曲线平坦时α₃取大值。

本发明的有益效果是：导叶满足多工况运行要求，提高了核电站离心式上充泵的扬程和效率，拓宽了高效区的范围，并且提高了切割泵的运行可靠性。

本发明经用户试用，反应效果良好，能有效地节省投资、节约能源。

附图说明

图1是本发明一个实施例的导叶平面水力图。

图2是同一个实施例的导叶水力图的左视图。

图中：1.导叶基圆直径D₃，2.导叶喉部高度a₃，3.导叶出口高度a₄，4.导叶进口安放角α₃，5.导叶出口直径D₄，6.反导叶进口直径D₅，7.反导叶出口直径D₆，8.导叶进口宽度b₃，9.导叶出口宽度b₄，10.反导叶进口宽度b₅。

具体实施方式

图1和图2共同确定了这个实施例的导叶形状。本发明通过以下几个关系式来调整导叶基圆直径D₃(1)、导叶喉部高度a₃(2)、导叶出口高度a₄(3)、导叶进口安放角(4)、导叶出口直径D₄(5)、反导叶进口直径D₅(6)、反导叶出口直径D₆(7)、导叶进口宽度b₃(8)、导叶出口宽度b₄(9)和反导叶进口宽度b₅(10)，使这个实施例的切割泵性能满足最优效率工况工况的流量Q_BEP、最优效率工况的扬程H_BEP、第i工况点的流量Q_i、第i工况点的扬程H_i、叶轮转速n的要求。

${H_i}^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[0.18n_{\mathrm{sBEP}}^{0.46}-(0.0076n_{\mathrm{sBEP}}+1.04)\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)-\left(1.5n_{\mathrm{sBEP}}^{-0.16}\right){\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2]$

ΔH_i＝H-H_i′

ΔH＝max(ΔH₁，ΔH₂，…，ΔH_i，…，ΔH_n)

$D_3=6.16n^{-0.73}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.62}{b}_3^{-1.2}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.19}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.49}$

$b_3=a_3=0.092n^{0.27}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.493}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-5.03}$

${\mathrm{\α}}_3=\arcsin \left(0.21n^{0.17}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.21}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.36}\right){(1-\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.56}$

$a_4=b_4=0.063n^{-0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{-0.76}{H}_{\mathrm{BEP}}^{0.43}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{5.01}$

$D_4=8.63n^{-0.69}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.75}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.58}{b}_3^{-1.1}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.23}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.53}$

$D_5=7.42n^{-0.71}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.63}{b}_3^{-1}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.81}$

$b_5=0.152n^{0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.73}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.57}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-4.93}$

$D_6=2.075n^{-0.56}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.81}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.26}{b}_3^{-1.08}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.63}$

式中：Q_BEP——最优效率工况点流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——最优效率工况点比转速；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i′——传统设计法的第i工况点的扬程，米；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，米；

D_3BEP——按最优效率工况点设计的导叶基圆直径，米；

n——叶轮转速，转/分；

D₃——导叶基圆直径，米；

b₃——导叶进口宽度，米；

a₃——导叶喉部高度，米；

α₃——导叶进口安放角，度；

a₄——导叶出口高度，米；

b₄——导叶出口宽度，米；

D₄——导叶出口直径，米；

D₅——反导叶进口直径，米；

b₅——反导叶进口宽度，米；

D₆——反导叶出口直径，米。

根据所要求各工况点组成的性能曲线形状，结合计算值，将α₃在5°～20°之间调整，当曲线陡降时α₃取小值，当曲线平坦时α₃取大值。

这样的设计就可以保证这个核电站离心式上充泵导叶泵在多个工况点满足要求，从而达到与所要求的性能曲线。

在这个实施例中，叶片数、叶片厚度、导叶扩散角、反导叶进出口安放角等可以根据铸造工艺要求选择确定。

Claims (3)

1.一种核电站离心式上充泵导叶的多工况设计方法，它根据对离心泵最优效率工况点的流量Q_BEP、最优效率工况点的扬程H_BEP、叶轮转速n、最优效率工况点的比转数n_sBEP、第i个工况点流量Q_i、第i个工况点扬程H_i′的要求，来设计上充泵叶轮导叶的几何参数，其特征是：把导叶的几何参数与不同工况点的性能参数联系到一起，使上充泵的实际运行性能曲线与所要求性能曲线一致，即导叶主要几何参数与不同工况点性能参数之间适合以下几个等式的关系：

${H_i}^{\′}=H_{\mathrm{BEP}}[0.18n_{\mathrm{sBEP}}^{0.46}-(0.0076n_{\mathrm{sBEP}}+1.04)\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)-\left(1.5n_{\mathrm{sBEP}}^{-0.16}\right){\left(\frac{Q_i}{Q_{\mathrm{BEP}}}\right)}^2]---\left(1\right)$

ΔH_i＝H-H_i′    (2)

ΔH＝max(ΔH₁，ΔH₂，…，ΔH_i，…，ΔH_n)    (3)

$D_3=6.16n^{-0.73}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.62}{b}_3^{-1.2}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.19}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.49}---\left(4\right)$

$b_3=a_3=0.092n^{0.27}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.69}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.493}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-5.03}---\left(5\right)$

${\mathrm{\α}}_3=\arcsin \left(0.21n^{0.17}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.21}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.36}\right){(1-\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.56}---\left(6\right)$

$a_4=b_4=0.063n^{-0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{-0.76}{H}_{\mathrm{BEP}}^{0.43}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{5.01}---\left(7\right)$

$D_4=8.63n^{-0.69}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.75}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.58}{b}_3^{-1.1}{\left(\tan {\mathrm{\α}}_3\right)}^{-0.23}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.53}---\left(8\right)$

$D_5=7.42n^{-0.71}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.67}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.63}{b}_3^{-1}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.81}---\left(9\right)$

$b_5=0.152n^{0.29}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.73}{H}_{\mathrm{BEP}}^{-0.57}{\left(\frac{D_3}{D_{3\mathrm{BEP}}}\right)}^{-4.93}---\left(10\right)$

$D_6=2.075n^{-0.56}{Q}_{\mathrm{BEP}}^{0.81}{H}_{\mathrm{BEP}}^{1.26}{b}_3^{-1.08}{(1+\frac{\mathrm{\ΔH}}{H_{\mathrm{BEP}}})}^{0.63}---\left(11\right)$

式中：Q_BEP——最优效率工况点流量，立方米/秒；

H_BEP——最优效率工况点扬程，米；

n_sBEP——最优效率工况点比转速；

Q_i——第i工况点的流量，立方米/秒；

H_i′——传统设计法的第i工况点的扬程，米；

ΔH_i——第i工况点的要求扬程与传统设计扬程的差值，米；

D_3BEP——按最优效率工况点设计的导叶基圆直径，米；

n——叶轮转速，转/分；

D₃——导叶基圆直径，米；

b₃——导叶进口宽度，米；

a₃——导叶喉部高度，米；

α₃——导叶进口安放角，度；

a₄——导叶出口高度，米；

b₄——导叶出口宽度，米；

D₄——导叶出口直径，米；

D₅——反导叶进口直径，米；

b₅——反导叶进口宽度，米；

D₆——反导叶出口直径，米。

2.如权利要求1所述的核电站离心式上充泵导叶的多工况点设计方法，其特征是：据所要求各工况点组成的性能曲线形状，结合计算值，将α₃在5°～20°之间调整，当曲线陡降时α₃取小值，当曲线平坦时α₃取大值。

3.叶片数、叶片厚度、导叶扩散角、反导叶进出口安放角等可以根据铸造工艺要求选择确定。

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