CN103115019A - 核主泵全特性水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核主泵全特性水力设计方法。其特征是在核主泵叶轮设计时，把核主泵叶轮的几何参数与泵的全特性联系到一起，结合水泵工况和水轮机工况，达到核主泵在事故工况下能安全稳定运行的要求。采用本发明设计的叶轮可以对叶轮的几何参数进行调节，达到核主泵性能满足各种正常工况和过渡工况要求的目的，特别适用于有水轮机工况要求的叶轮设计。

Description

核主泵全特性水力设计方法

技术领域

本发明涉及一种核主泵全特性水力设计方法，可以在核主泵各种正常工况和过渡工况设计叶轮时使用，尤其适用于对失水事故时核主泵性能参数要求严格的情况使用。

背景技术

核反应堆冷却剂主循环泵简称核主泵，是确保核电站安全和可靠运行的最关键动力设备，属于核I级泵，是核岛内唯一旋转设备，也是一回路的压力边界之一。核主泵长期稳定安全地运行对冷却堆芯、以及防止核电站事故的发生尤为重要，因此核主泵常被喻为核电站的心脏。核反应堆在满功率情况下运行，核主泵进口段冷却剂管道突然发生破裂导致失水事故(LOCA)的发生而引起主冷却剂流失，使整个反应堆冷却剂系统压力整体下降。失水事故是指一回路压力边界产生破口或发生破裂，一部分或大部分冷却剂泄露的事故。当破口在热管段，且破口尺寸持续增大时，核主泵将在短时间内发生由泵工况到制动工况的瞬变过渡过程，同时伴随流量逐步减小。当破口在冷管段，且破口尺寸持续增大时，核主泵将在短时间内发生流量突增的瞬变过渡过程。

目前，除少数核主泵采用离心式叶轮或轴流式叶轮外，大多数核主泵都采用混流式叶轮，因为这种叶轮可以在大流量的同时，达到比较高的扬程。核主泵具有陡降的性能曲线，这种特性有一个优点：当实际的主冷却剂系统阻力低于计算值时，主泵的流量变化较小。混流泵的结构和性能介于轴流泵和离心泵之间，是一种吸取离心泵和轴流泵优点，补偿两方面缺点的理想模型。但是在事故工况时，核主泵的运行情况十分复杂，导致核主泵实际运行工况偏移，所以单一的以水泵工况参数设计核主泵叶轮不能满足核电站安全稳定运行要求。

为了使核主泵能够在各种正常工况和过渡工况运行，保证核电站在事故工况下安全稳定运行，提出一种核主泵全特性水力设计方法是十分必要的。

发明内容

为了使核主泵能够在各种正常工况和过渡工况运行，本发明提供了一种核主泵全特性水力设计方法。用本发明设计的叶轮几何参数不仅满足水泵工况的运行要求，同时满足水轮机工况运行要求，尤其适用于失水事故时核主泵的全特性要求。

本发明的技术方案是：

水泵工况对核主泵的选择起决定性作用，所有核主泵叶轮的设计过程和常规水泵是很相近的，但在事故时下核主泵将处于复杂的过渡工况，需考虑水轮机工况对核主泵安全运行的影响。

基本设计参数：

设计流量Q(m³/s)

设计扬程H(m)

额定转速n(r/min)

1.比转数n_s

$n_s=\frac{3.65n\sqrt{Q}}{H^{0.75}}---\left(1\right)$

2.叶轮进口直径D₀

$D_0=K_0\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(2\right)$

K₀-泵进口尺寸系数，保证效率取K₀＝4～4.25，考虑效率和汽蚀时取K₀＝4.25～4.5，保证汽蚀性能时取K₀＝4.5～5.5。

3.叶轮出口平均直径D₂

设叶轮出口直径为叶轮前后盖板直径的算数平均值，如图1所示。

$D_2=K_2{K}_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(3\right)$

$D_2=\frac{D_{20}+D_{2h}}{2}---\left(4\right)$

$K_{D2}=9.35{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-\frac{1}{2}}---\left(5\right)$

K₂是叶轮出口直径修正系数，和比转数有关。

4.相对直径D_s

D_s＝D₀/D₂      (6)

由于核主泵叶轮外形尺寸和其叶片特征均更接近于常规水泵，故相对直径D_s取值范围为0.72～0.95。

5.出口宽度b₂

$b_2=K_b{K}_{b2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}---\left(7\right)$

$K_{b2}=0.64{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{\frac{5}{6}}---\left(8\right)$

K_b是叶轮出口宽度修正系数，和比转数有关。K₂和K_b的值可由《现代泵原理与设计》手册图15-3查得。

6.相对宽度B_s

B_s＝b₂/D₂         (9)

在常规离心泵设计中，对叶片出口宽度趋向于选择较小数值，目的是避免在小流量时流道内过早的出现水流脱离。但对水轮机则为降低进口流速，减小撞击损失，要求进口宽度取得大一些。本发明采用的叶片宽度介于水泵和水轮机要求之间，所以相对宽度B_s的取值范围为0.25～0.34。

7.叶片进口安放角β₁

β₁＝β’₁+Δβ      (10)

式中Δβ为冲角，根据离心泵设计经验，叶片进水边具有一定量的正冲角对空化特性有利，由于核主泵的比转速高，一般取8°～12°，冲角也不宜取得过大，否则不利于水泵工况运行。

8.叶片出口安放角β₂

轮缘侧叶片安放角β_2·sh根据下列公式计算

${\mathrm{\β}}_{2\·\mathrm{sh}}={\tan }^{-1}\frac{V_{m2}}{U_{2\·\mathrm{sh}}\left({1-K}_{\mathrm{sh}}\right)}---\left(11\right)$

$U_{2\·\mathrm{sh}}=\frac{{\mathrm{\πD}}_{20}n}{60}---\left(12\right)$

$K_{\mathrm{sh}}=0.97{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.36}---\left(13\right)$

轮毂侧叶片安放角β_2·hu

${\mathrm{\β}}_{2\·\mathrm{hu}}={\tan }^{-1}\frac{V_{m2}}{U_{2\·\mathrm{hu}}(1-K_{\mathrm{hu}})}---\left(14\right)$

$U_{2\·\mathrm{hu}}=\frac{{\mathrm{\πD}}_{2h}n}{60}---\left(15\right)$

$K_{\mathrm{hu}}=0.89{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.14}---\left(16\right)$

叶片出口安放角β₂＝15°～25°，比转数大取小值，为保证水轮机工况在低水头或小负荷时的水流稳定性，尽量选择小的β₂。

9.叶片最大厚度δ_max

叶片轮缘和轮毂侧最大厚度δ_max·a和δ_max·e分别由下式确定

${\mathrm{\δ}}_{\max \·a}=0.018{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.06}\·D_2---\left(17\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\max \·e}=0.032{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.59}\·D_2---\left(18\right)$

10.叶片最大厚度δ_max处的位置

11.叶片包角

用大包角可以形成较长的流道而使水流平稳，但伴随而来会有较大的摩擦损失。叶片包角和叶片数可以根据铸造工艺要求选择确定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明专利一个实施例的叶轮轴面剖视图。

图2是同一个实施例的叶轮叶片图(揭去叶轮前盖板后从叶轮前盖板朝叶轮后盖板看的叶轮平面剖视图)。

图中：1.叶轮前盖板，2.叶轮后盖板，3.叶轮叶片进口宽度，4.叶轮叶片出口宽度b₂，5.叶轮出口平均直径D₂，6.叶轮前盖板直径D₂₀，7.叶轮后盖板直径D_2h，8.叶轮进口直径D₀，9.叶片进口安放角β₁，10.叶片出口安放角β₂，11.叶片包角

12.叶片，13.叶片工作面，14.叶片背面。

具体实施方式

图1和图2共同确定了这个实施例的叶轮形状。它与大多数离心泵叶轮一样，具有叶轮前盖板(1)和叶轮后盖板(2)，是一种闭式叶轮。在图中，叶片(12)的凸面为叶片工作面(13)，叶片的凹面为叶片工作面(14)。本发明通过以下几个关系式来调整叶轮几何参数，叶轮叶片出口宽度b₂(4)，叶轮叶片的外圆直径D₂(5)，叶轮进口直径D₀(8)，叶片进口安放角β₁(9)，叶片出口安放角β₂(10)，叶片包角

使这个实施例的核主泵性能满足设计工况的流量Q，设计工况的扬程H，叶轮转速n的要求。同时通过水轮机工况运行条件进行核主泵水力设计，能够确保核主泵在事故工况下安全稳定运行。

$D_0=K_0\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$D_2=K_2{K}_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$K_{D2}=9.35{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

D_s＝D₀/D₂＝0.72～0.95

$b_2=K_b{K}_{b2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$K_{b2}=0.64{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{\frac{5}{6}}$

B_s＝b₂/D₂＝0.25～0.34

β₁＝β’₁+Δβ

${\mathrm{\δ}}_{\max \·a}=0.018{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.06}\·D_2$

${\mathrm{\δ}}_{\max \·e}=0.032{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.59}\·D_2$

K₀-泵进口尺寸系数，保证效率取K₀＝4～4.25，考虑效率和汽蚀时取K₀＝4.25～4.5，保证汽蚀性能时取K₀＝4.5～5.5。K₂是叶轮出口直径修正系数，和比转数有关。K_b是叶轮出口宽度修正系数，和比转数有关。

根据离心泵设计经验，叶片进水边具有一定量的正冲角对空化特性有利，由于核主泵的比转速高，一般取Δβ＝8°～12°，冲角也不宜取得过大，否则不利于水泵工况运行。

叶片出口安放角β₂＝15°～25°，比转数大取小值，为保证水轮机工况在低水头或小负荷时的水流稳定性，尽量选择小的β₂。

叶片包角

用大包角可以形成较长的流道而使水流平稳，但伴随而来会有较大的摩擦损失。叶片包角和叶片数可以根据铸造工艺要求选择确定。

Claims (6)

1.核主泵全特性水力设计方法，根据对核主泵性能满足设计工况的流量Q，扬程H，叶轮转速n的要求。叶轮叶片出口宽度b₂，叶轮外圆直径D₂，叶轮进口直径D₀，叶片进口安放角β₁，叶片出口安放角β₂，叶片包角

结合水轮机工况运行条件进行核主泵水力设计，确保核主泵在事故工况下安全稳定运行。其特征在于：叶轮几何参数与泵设计工况点性能参数之间适合以下关系：

$D_0=K_0\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$D_2=K_2{K}_{D2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$K_{D2}=9.35{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-\frac{1}{2}}$

D_s＝D₀/D₂＝0.72～0.95

$b_2=K_b{K}_{b2}\sqrt[3]{\frac{Q}{n}}$

$K_{b2}=0.64{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{\frac{5}{6}}$

B_s＝b₂/D₂＝0.25～0.34

β₁＝β’₁+Δβ

${\mathrm{\δ}}_{\max \·a}=0.018{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.06}\·D_2$

${\mathrm{\δ}}_{\max \·e}=0.032{\left(\frac{n_s}{100}\right)}^{-0.59}\·D_2$

2.核主泵叶轮外形尺寸和其叶片特征均更接近于常规水泵，相对直径D_s取值范围为0.72～0.95。

3.为避免在小流量时流道内过早的出现水流脱离，且为降低进口流速，减小撞击损失，要求进口宽度取得大一些。本发明采用的叶片宽度介于水泵和水轮机要求之间，相对宽度B_s的取值范围为0.25～0.34。

4.根据离心泵设计经验，叶片进水边具有一定量的正冲角对空化特性有利，由于核主泵的比转速高，一般取Δβ＝8°～12°，冲角也不宜取得过大，否则不利于水泵工况运行。

5.叶片出口安放角β₂＝15°～25°，比转数大取小值，为保证水轮机工况在低水头或小负荷时的水流稳定性，尽量选择小的β₂。

6.叶片包角

用大包角可以形成较长的流道而使水流平稳，但伴随而来会有较大的摩擦损失。叶片包角和叶片数可以根据铸造工艺要求选择确定。

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