CN104595232A - 一种失水事故下核主泵极大效率水力设计方法 - Google Patents

Abstract

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，来确定叶轮的叶轮外径D₂，叶片出口边宽度b₂，叶片出口安放角β₂，叶片数Z、喉部面积F_t，通过以上参数的控制，能够使核主泵在失水事故下设计的额定流量点Q_t附近有最大效率点η_max，且在1.1Q_t左右的轴功率达到最大P_max。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。

Description

一种失水事故下核主泵极大效率水力设计方法

技术领域

本发明涉及到一种在失水事故下核主泵水力设计方法，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β₂、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。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

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β₁、叶轮出口安放角β₂、叶轮出口宽度b₂、叶轮出口直径D₂、叶片数Z、喉部面积F_t：

$D_2=\frac{{58k}_{u2}\sqrt{2\mathrm{gH}}}{\mathrm{\πn}}$

$b_2=\frac{Q}{k_{m2}\mathrm{\ϵ\π}{v}_{m2}}$

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{n_s^{\frac{2}{3}}}{77.89k_w^2}$

$Z=K\frac{D_2+D_1}{D_2-D_1}\sin \frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{2}$

$F_t=\frac{Q}{k_{\mathrm{vt}}\sqrt{2\mathrm{gH}}}$

式中：

D₂—叶轮出口直径；

k_u2—圆周速度系数，取1.045～1.058；

g—重力加速度；

H—扬程；

n—叶轮转速； 

b₂—叶片出口边宽度；

Q—额定流量； 

v_m2—叶轮出口绝对速度的垂直分量；

ε—排挤系数，取0.48～0.72；

k_m2—轴面速度系数，取0.030～0.042；

β₂—叶轮出口安放角；

β₁—叶轮进口安放角，取15°～25°；

k_w—出口圆周速度系数，取1.042～1.048；

n_s—叶轮比转速；

D₁—叶轮进口直径；

Z—叶片数； 

K—叶片修正系数，取1.02；

F_t—喉部面积； 

k_vt—速度系数。

通过以上参数的控制，能够使核主泵在失水事故下设计的额定流量点Q_t附近有最大效率点η_max，且在1.1Q_t左右的轴功率达到最大P_max。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。

附图标记说明如下：

1-前盖板，2-叶片，3-后盖板，4-轴孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明所述的失水事故下核主泵极大效率水力设计方法：

1.目标函数的确定：

K＝dp/dQ_x＝f(β₁,β₂,D₂,Q_x,d_h,F₈)＝ρu₂ ²σ-2.15Q_x/u₂πD₂b₂Ψ₂tanβ₂

K＝0时，Q_x＝1.1Q_t，处取得最大效率η_max。

式中：

β₁—叶轮进口安放角；

d_h—叶轮轮毂直径；

ρ—液体密度；

u₂—叶轮出口圆周速度；

σ—滑移系数，取0.75～0.85；

D₂—叶轮出口直径；

b₂—叶轮进口宽度；

ψ₂—叶片出口排挤系数，取0.87；

β₂—叶轮出口安放角；

Q_x—任意工况下的流量。

F₈—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：

v_m2u₂＝h₀tanβ₂/3

$\tan {\mathrm{\β}}_2=\frac{n_s^{\frac{2}{3}}}{77.89k_w^2}$

式中：

h₀—Stodola滑移系数，h₀＝0.75～0.95；

v_m2—叶轮出口绝对速度的垂直分量；

u₂—叶轮出口圆周速度；

β₂—叶轮出口安放角；

β₁—叶轮出口安放角，取15°～25°；

k_w—出口圆周速度系数，取1.042～1.048；

n_s—叶轮比转速。

图1和图2为本发明所述方法确定的叶轮，为混流式叶轮，主要由前盖板1、叶片2、后盖板3、轴孔4组成。所述叶轮的叶轮出口直径D₂，叶片出口边宽度b₂，叶片出口安放角β₂，叶片数Z、喉部面积F_t由以下公式获得。

叶轮出口直径D₂：

$D_2=\frac{58k_{u2}\sqrt{2\mathrm{gH}}}{\mathrm{\πn}}$

式中：

D₂—叶轮出口直径；

k_u2—圆周速度系数，取1.045～1.058；

n—叶轮转速。 

叶轮出口宽度b₂：

$b_2=\frac{Q}{k_{m2}\mathrm{\ϵ\π}{v}_{m2}}$

式中：

v_m2—叶轮出口绝对速度的垂直分量；

ε—排挤系数，取0.48～0.72；

k_m2—轴面速度系数，取0.030～0.042。

叶轮出口安放角β₂：

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{n_s^{\frac{2}{3}}}{77.89k_w^2}$

式中：

β₂—叶轮出口安放角，取20°～30°；

n_s—比转速； 

k_w—出口圆周速度系数，取1.037～1.049。

叶片数Z：

$Z=K\frac{D_2+D_1}{D_2-D_1}\sin \frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{2}$

式中：

D₁—叶轮进口直径；

D₂—叶轮出口直径；

β₁—叶轮进口安放角；

β₂—叶轮出口安放角；

K—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。

喉部面积F_t：

$F_t=\frac{Q}{k_{\mathrm{vt}}\sqrt{2\mathrm{gH}}}$

式中：

Q—额定流量； 

v_t—液体喉部流速；

k_vt—速度系数。

通过以上参数的控制，能够使核主泵在失水事故下设计的额定流量点Q_t附近有最大效率点η_max，且在1.1Q_t左右的轴功率达到最大P_max。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。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种核主泵在失水事故下具有极大效率的水力设计方法，其特征在于，利用以下几个关系式来确定叶轮的叶轮外径D₂，叶片出口边宽度b₂，叶片出口安放角β₂，叶片数Z、喉部面积F_t：

$D_2=\frac{{58k}_{u2}\sqrt{2\mathrm{gH}}}{\mathrm{\πn}}$

$b_2=\frac{Q}{k_{m2}{\mathrm{\ϵ\πv}}_{\text{m2}}}$

${\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{n_s^{\frac{2}{3}}}{{77.89k}_w^2}$

$Z=K\frac{D_2+D_1}{D_2-D_1}\sin \frac{{\mathrm{\β}}_1+{\mathrm{\β}}_2}{2}$

$F_t=\frac{Q}{k_{\mathrm{vt}}\sqrt{2\mathrm{gH}}}$

式中：

D₂—叶轮进口直径；

k_u2—圆周速度系数，取1.045～1.058；

g—重力加速度；

H—扬程；

n—叶轮转速；

b₂—叶片出口边宽度；

Q—额定流量；

v_m2—叶轮出口绝对速度的垂直分量；

ε—排挤系数，取0.48～0.72；

k_m2—轴面速度系数，取0.030～0.042；

β₂—叶轮出口安放角；

β₁—叶轮出口安放角，取15°～25°；

k_w—出口圆周速度系数，取1.042～1.048；

n_s—叶轮比转速；

D₁—叶轮进口直径；

Z—叶片数；

K—叶片修正系数，取1.02；

F_t—喉部面积；

k_vt—速度系数。