CN103742445A - 一种核主泵极大流量水力设计方法 - Google Patents

一种核主泵极大流量水力设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种核主泵极大流量水力设计方法，特别涉及失水事故下核主泵具有极大效率的设计方法。利用以下关系式来确定叶轮的主要几何参数，主要包括：叶轮出口安放角
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，叶轮出口宽度，轮出口直径，第八断面
Figure DEST_PATH_IMAGE008
等。用本发明设计的叶轮不仅改善了叶轮内的流动情况，同时提高了核主泵的性能和运行可靠性。

Description

一种核主泵极大流量水力设计方法
技术领域
本发明涉及到一种核主泵极大流量水力设计方法，特别涉及失水事故下核主泵具有极大效率的设计方法。
背景技术
核电站一回路反应堆冷却剂循环泵简称核主泵，是反应堆冷却系统（RCP）的重要组成部分，是核岛反应堆一回路压力边界重要组成部分，属于核安全Ⅰ级设备。核反应堆冷却剂泵运行时具有大流量、高扬程、高抗汽蚀要求等特点，同时还要满足热冲击和抗震等安全性要求，其设计技术难度大。特别是在失水事故下保证流量偏离设计点不远的同时具有极大效率且能很好的运行而冷却堆芯；传统设计方法中叶片出口角的选择具有盲目性，对影响失水事故下核主泵水力性能的重要参数叶片出口角                                                
Figure 2013107445425100002DEST_PATH_IMAGE001
、比转速等不能很好的控制，因此提出对核主泵在失水事故下极大效率设计方法相当有必要。
目前，国内核主泵的水力设计方法，仍然以速度系数法和相似设计理论为主，多采用理论与经验相结合的方法。速度系数法是一种基础的设计方法，它简化了流体在叶轮内的流动，形成所谓的一元、二元设计法，此设计法简便、可靠、实用、迅速，至今仍是水泵设计最为常用、最为有效的方法。但此方法对于经验较少的设计人员不适用，设计结果会存在很大偏差，没有针对核主泵在失水事故下具有极大效率进行考虑，造成核主泵的性能和可靠性偏低。
发明内容
为解决现有核主泵在失水事故下具有极大效率水力设计方法上的不足，本发明提供了一种核主泵在失水事故下具有极大效率的水力设计方法。利用以下几个关系式来确定叶轮的主要几何参数，主要包括：叶轮进口安放角
Figure 841385DEST_PATH_IMAGE002
，叶轮出口安放角叶轮出口宽度
Figure 33200DEST_PATH_IMAGE004
，叶轮出口直径，轮毂直径
Figure 720403DEST_PATH_IMAGE006
以及第八断面等达到水利设计要求。满足以下的参数约束方程组，我们可以确定核主泵在失水事故下设计的额定流量点
Figure 390287DEST_PATH_IMAGE008
附近有最大效率点
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，且在1.1
Figure 112124DEST_PATH_IMAGE010
左右的轴功率达到最大
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。本发明设计方法不仅改善了气液两相下核主泵内的流动情况，同时提高了核主泵在失水事故下的效率。实现上述目的所采用的技术方案:
1.      目标函数的确定： 
时，Q x =1.1Q t ，处取得最大效率（
Figure 633028DEST_PATH_IMAGE009
）。
式中：
Figure 857336DEST_PATH_IMAGE014
—叶轮进口安放角，取18°~25°；
d h —叶轮轮毂直径；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
—液体密度；
u 2 —叶轮出口圆周速度；
—滑移系数，取0.75~0.85；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
—叶轮进口直径；
Figure 326673DEST_PATH_IMAGE004
—叶轮进口宽度；
—叶片出口排挤系数，取0.87；
—叶轮出口安放角，取 20°~35°；
Figure 155DEST_PATH_IMAGE020
—任意工况下的流量。
F 8 —第八断面面积。
2.        为保证失水事故下核主泵在极大流量工况时满足气液两相下高抗汽蚀性能的要求，则设计核主泵应当满足以下约束条件:
Figure DEST_PATH_IMAGE021
Figure 431005DEST_PATH_IMAGE022
式中
—Stodola滑移系数，
Figure 135525DEST_PATH_IMAGE024
; 
Figure DEST_PATH_IMAGE025
—叶轮出口绝对速度的垂直分量；
Figure 284615DEST_PATH_IMAGE026
—叶轮出口圆周速度；
—叶轮出口安放角，取20°~30°；
—叶轮出口安放角，取15°~25°
Figure 385350DEST_PATH_IMAGE028
—出口圆周速度系数，取1.042~1.048；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
—叶轮比转速。
3.        叶轮出口直径
Figure 260771DEST_PATH_IMAGE005
Figure 647890DEST_PATH_IMAGE030
式中：
Figure 1380DEST_PATH_IMAGE017
—叶轮进口直径；
Figure DEST_PATH_IMAGE031
—圆周速度系数，取1.045~1.058；
n—叶轮转速。
4.        叶轮出口宽度
Figure 453144DEST_PATH_IMAGE032
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE033
—叶轮出口绝对速度的垂直分量；
Figure 311248DEST_PATH_IMAGE034
—排挤系数，取0.48~0.72；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
—轴面速度系数，取0.030~0.042。
5.        叶轮出口安放角
Figure 734008DEST_PATH_IMAGE019
式中
Figure 961913DEST_PATH_IMAGE019
—叶轮出口安放角，取20°~30°；
Figure 58045DEST_PATH_IMAGE029
—比转速；
Figure 753337DEST_PATH_IMAGE028
—出口圆周速度系数，取
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
6.        叶片数Z
Figure 133372DEST_PATH_IMAGE038
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE039
—叶轮进口直径；
Figure 521497DEST_PATH_IMAGE005
—叶轮出口直径；
—叶轮进口安放角；
Figure 603908DEST_PATH_IMAGE019
—叶轮出口安放角；
Figure DEST_PATH_IMAGE041
—叶片修正系数，取1.02。
叶片数的减小有利于可以消除扬程曲线驼峰，可以减少沿程水力摩擦损失，一般取Z=4~6。
7.         喉部面积
Figure 838449DEST_PATH_IMAGE042
Figure DEST_PATH_IMAGE043
式中
Figure 397475DEST_PATH_IMAGE044
—额定流量；
Figure DEST_PATH_IMAGE045
—液体喉部流速；
—速度系数。
通过以上参数的控制，我们达到在失水事故下核主泵运行过程具有最大
Figure 20141DEST_PATH_IMAGE009
。
本发明的有益效果是：提高了核主泵在失水事故下的效率，同时提高了核主泵的抗汽蚀性能和运行可靠性，保证了核主泵在气液两相下极大流量工况时的无过载特性。
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位置图。
图1中： 
Figure DEST_PATH_IMAGE047
—叶轮进口直径，
Figure 109189DEST_PATH_IMAGE005
—叶轮外径，
Figure 589849DEST_PATH_IMAGE004
—叶轮出口边宽度，1.前盖板，3.后盖板，4.轴孔。
     图2中：2.叶片，
Figure 131558DEST_PATH_IMAGE048
—叶片出口安放角，Ψ—叶片包角。
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，为混流式叶轮。它主要由叶轮进口直径
Figure 487190DEST_PATH_IMAGE047
，叶轮外径
Figure 430744DEST_PATH_IMAGE005
，叶轮出口宽度
Figure 82306DEST_PATH_IMAGE004
，前盖板（1），叶片（2），后盖板（3），轴孔（4），叶片出口安放角
Figure 376890DEST_PATH_IMAGE048
，和叶片包角Ψ组成。本发明利用以下几个关系式来确定叶轮的主要几何参数，主要包括：叶轮外径
Figure 772099DEST_PATH_IMAGE005
，叶片出口边宽度
Figure 570159DEST_PATH_IMAGE004
，叶片出口安放角
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。关系式如下：
；
Figure 470645DEST_PATH_IMAGE032
；
Figure 403965DEST_PATH_IMAGE036
；
；
；
图中，
Figure 319073DEST_PATH_IMAGE050
，经试验发现，β 2一般取20°~35°。
以上为本发明参照实施例所做出的具体说明，但是本发明并不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其它实施例或变形例。

Claims (5)

  1. 一种核主泵极大流量水力设计方法，其特征在于，确定叶轮的几何参数：叶轮进口安放角 
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE002
    ，叶轮出口安放角叶轮出口宽度
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE006
    ，叶轮出口直径
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE008
    ，轮毂直径
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE010
    以及第八断面
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE012
    等达到水利设计要求；满足以下的参数约束方程组，确定核主泵在失水事故下设计的额定流量点
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE014
    附近有最大效率点
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE016
    ，且在1.1
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE018
    左右的轴功率达到最大
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE020
    ；具体为：
    目标函数的确定： 
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE022
    时，Q x =1.1Q t ，处取得最大效率（）。
  2. 式中：
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE026
    —叶轮进口安放角，取18°~25°；
    d h —叶轮轮毂直径；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE028
    —液体密度；
    u 2 —叶轮出口圆周速度；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE030
    —滑移系数，取0.75~0.85；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE032
    —叶轮进口直径；
    —叶轮进口宽度；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE034
    —叶片出口排挤系数，取0.87；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE036
    —叶轮出口安放角，取 20°~35°；
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE038
    —任意工况下的流量。
  3. F 8 —第八断面面积；
    为保证失水事故下核主泵在极大流量工况时满足气液两相下高抗汽蚀性能的要求，则设计核主泵应当满足以下约束条件：
    Figure 2013107445425100001DEST_PATH_IMAGE040
    Figure DEST_PATH_IMAGE042
    式中：
    —Stodola滑移系数，
    Figure DEST_PATH_IMAGE046
    ; 
    Figure DEST_PATH_IMAGE048
    —叶轮出口绝对速度的垂直分量；
    Figure DEST_PATH_IMAGE050
    —叶轮出口圆周速度；
    Figure 385215DEST_PATH_IMAGE036
    —叶轮出口安放角，取20°~30°；
    Figure DEST_PATH_IMAGE052
    —叶轮出口安放角，取15°~25°
    Figure DEST_PATH_IMAGE054
    —出口圆周速度系数，取1.042~1.048；
    Figure DEST_PATH_IMAGE056
    —叶轮比转速；
    叶轮出口直径
    Figure 722174DEST_PATH_IMAGE008
    式中：
    Figure 96917DEST_PATH_IMAGE032
    —叶轮进口直径；
    —圆周速度系数，取1.045~1.058；
    n—叶轮转速；
    叶轮出口宽度
    式中：
    Figure DEST_PATH_IMAGE064
    —叶轮出口绝对速度的垂直分量；
    Figure DEST_PATH_IMAGE066
    —排挤系数，取0.48~0.72；
    Figure DEST_PATH_IMAGE068
    —轴面速度系数，取0.030~0.042；
    叶轮出口安放角
    Figure 201499DEST_PATH_IMAGE036
    Figure DEST_PATH_IMAGE070
    式中：
    Figure 219396DEST_PATH_IMAGE036
    —叶轮出口安放角，取20°~30°；
    Figure 233882DEST_PATH_IMAGE056
    —比转速；
    Figure 304606DEST_PATH_IMAGE054
    —出口圆周速度系数，取
    Figure DEST_PATH_IMAGE072
    ；
    叶片数Z
    Figure DEST_PATH_IMAGE074
    式中：
    Figure DEST_PATH_IMAGE076
    —叶轮进口直径；
    Figure 360943DEST_PATH_IMAGE008
    —叶轮出口直径；
    Figure DEST_PATH_IMAGE078
    —叶轮进口安放角；
    Figure 859765DEST_PATH_IMAGE036
    —叶轮出口安放角；
    —叶片修正系数，取1.02。
  4. 叶片数的减小有利于可以消除扬程曲线驼峰，可以减少沿程水力摩擦损失，一般取Z=4~6；
    喉部面积
    Figure DEST_PATH_IMAGE082
    Figure DEST_PATH_IMAGE084
    式中：
    Figure DEST_PATH_IMAGE086
    —额定流量；
    Figure DEST_PATH_IMAGE088
    —液体喉部流速；
    Figure DEST_PATH_IMAGE090
    —速度系数。
  5. 通过以上参数的控制，使在失水事故下核主泵运行过程具有最大
    Figure 844819DEST_PATH_IMAGE016
    。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20140423

Assignee: Jiangsu Best Pump Making Co., Ltd.

Assignor: Jiangsu University

Contract record no.: 2017320000088

Denomination of invention: Nuclear main pump maximum flow hydraulic design method

Granted publication date: 20170111

License type: Exclusive License

Record date: 20170316