CN105485047A - 一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电站用正常余热排出泵的水力部件（叶轮、导叶）优化方法，首先进行叶轮、导叶水力初步设计，包括如下优化步骤：确定目标函数→设定自变量和初始值→制定正交试验方案→执行试验→目标函数值计算→寻找最优组合→检查是否符合设计要求。本发明的叶轮水力优化方法，首先运用经验设计进行初步设计，在该设计的基础上进行进一步寻优，找出影响目标函数值的关键因素，建立正交表格，设计3组叶轮与9组导叶组合的水力方案，然后利用Fluent软件计算9组方案的目标函数值，对结果进行分析，选出各因素的最优组合，此方法优化速度快、优化阶段无需加工制造、周期短、成本低。

Description

一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法

技术领域

本发明属于核电技术领域，特别涉及一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法。

背景技术

CAP1400正常余热核电站用正常余热排出泵(以下简称CAP1400余排泵）是CAP1400核电厂正常余热排出系统（RNS）的重要设备，位于辅助厂房内，其主要功能有：（1）在电厂正常停堆期间排出反应堆冷却剂系统的热量；（2）启堆时，维持反应堆冷却剂系统真空充水冷却；（3）停堆时，如果需要，维持乏燃料池冷却；（4）失水事故后，从装料池或安全壳内置换料水箱吸水，提供非安全低压注射；（5）安全壳水淹后，从地坑吸水，进行安全壳再循环冷却；（6）系统意外超压后，维持压力边界完整性。

CAP1400余热核电站用正常余热排出泵性能要求见表1：

序号	工况	流量(m3/h)	总扬程(m)	NPSHR
					1	关闭点	/	≤140	/
2	最小流量	98	130	1.92
					3	设计流量	490	110	2.65
4	最大流量	650	93	3.96

表1

由表1可知，CAP1400核电站用正常余热排出泵性能要求较高，因此叶轮、导叶水力设计是整台泵设计的难点及关键点。根据传统水泵设计方法——基于枚举法的模型相似换算，查找公司现有水力模型库，无比转速相等或相近的泵，需重新设计。因影响水泵性能的设计参数较多，如逐一改变参数重新设计后，加工、制造、验证其性能，工作量大、成本高、周期长。

发明内容

本发明的目的是要解决上述技术问题，提供一种核电站用正常余热排出泵的叶轮、导叶水力优化方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法，其特征在于，包括如下优化步骤：

1）、确定目标函数：首先通过经验设计法对正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计，并利用Fluent软件对该水力进行数值模拟，并加工样机进行性能测试，数值模拟及样机测试结果基本符合，后续优化设计过程中可用数值模拟结果替代性能实测值；

2）、设定自变量和初始值：选取如下影响泵效率的关键因素：叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度，并选取叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度在大、中、小三个水平的相应数值；

其中：（A）、因素：试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因都称为因素，类似于数学中的自变量；如叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度为影响试验指标扬程及效率的4个因素；

（B）、水平：因素在试验中所处的各种状态或所取的不同值，称为该因素的水平；如因素A叶轮出口安放角的三个水平为：A1=11°，A2=14°，A3=18°；

3）、制定正交试验方案：根据影响泵水力性能的各关键因素在大、中、小三个水平的数值进行排列组合，并得到9组不同的水力正交设计方案；

4）、执行试验：分别对9组不同的水力正交设计方案中的叶轮、导叶以及泵体内部流道进行三维造型和网格划分；

5）、目标函数值计算：采用Fluent软件分别对9组方案进行数值模拟，得出最小流量、额定流量、最大流量下的扬程和效率结果，并绘制流量-扬程（Q-H）及流量-效率（Q-η）性能曲线图；

6）、寻找最优组合：根据流量-扬程（Q-H）性能曲线图和流量-效率（Q-η）性能曲线图提取额定流量点效率值的Fluent数值模拟结果，再利用极差分析法对额定流量点效率进行数据处理，并结合各因素在不同水平时对泵效率的影响趋势，选出最优组合方案；其中，极差分析法所采用的极差公式为：

；式中：为j因素i水平的平均值；且各因素极差Rj反映该因素水平变动时泵效率的变动幅度，Rj越大，影响越大；

7）、检查是否符合设计要求：

A）、如符合，完成正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计；

B）、如不符合，重复步骤2）。

本发明的有益效果：本发明运用经验设计法进行初步水力设计，并将该设计结果作为后续正交试验的初始值输入，确定目标函数及关键因素，利用极差分析法寻找最优组合，减小了工作量，缩短了优化周期，降低了优化成本，推广应用具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为本发明的流量-扬程（Q-H）性能曲线图。

图2为本发明的流量-效率（Q-η）性能曲线图。

图3为本发明的各因素不同水平对泵效率影响趋势图。

图4为本发明的优化流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限制：

如附图4所示，一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法，其特征在于，包括如下优化步骤：

1）、确定目标函数：首先通过经验设计法对正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计，并利用Fluent软件对该水力进行数值模拟，并得到数值模拟结果，泵扬程已经满足要求，而效率未达规范书要求，且最高效率点往大流量偏移，因此选取泵效率为本优化试验的目标函数；

2）、设定自变量和初始值：选取如下影响泵效率的关键因素：叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度，并选取叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度在大、中、小三个水平的相应数值；

其中：（A）、因素：试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因都称为因素，类似于数学中的自变量；如叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度为影响试验指标扬程及效率的4个因素；

（B）、水平：因素在试验中所处的各种状态或所取的不同值，称为该因素的水平；如因素A叶轮出口安放角的三个水平为：A1=11°，A2=14°，A3=18°；

3）、制定正交试验方案：根据影响泵水力性能的各关键因素在大、中、小三个水平的数值进行排列组合，并得到9组不同的水力正交设计方案；

4）、执行试验：分别对9组不同的水力正交设计方案中的叶轮、导叶以及泵体内部流道进行三维造型和网格划分；

5）、目标函数值计算：采用Fluent软件分别对9组方案进行数值模拟，得出最小流量、额定流量、最大流量下的扬程和效率结果，并绘制流量-扬程（Q-H）及流量-效率（Q-η）性能曲线图；

6）、寻找最优组合：根据流量-扬程（Q-H）性能曲线图和流量-效率（Q-η）性能曲线图提取额定流量点效率值的Fluent数值模拟结果，再利用极差分析法对额定流量点效率进行数据处理，并结合各因素在不同水平时对泵效率的影响趋势，选出最优组合方案；其中，极差分析法所采用的极差公式为：

；式中：为j因素i水平的平均值；且各因素极差Rj反映该因素水平变动时泵效率的变动幅度，Rj越大，影响越大；

7）、检查是否符合设计要求：

A）、如符合，完成正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计；

B）、如不符合，重复步骤2）。

具体实施时，设计步骤如下：利用经验设计对叶轮、导叶做初步的水力设计，并通过Fluent数值模拟及样机实测其性能。

正交试验优化设计：

（1）结果显示：数值模拟与样机实测性能接近，叶轮扬程已经满足要求，而效率未达规范书要求，选取影响泵效率的关键因素，即设计变量：叶轮出口安放角β2、导叶叶片数Z3、导叶进口宽度B3、导叶出口宽度B4，各因素取大、中、小3个水平；

(2)表2水力参数优化设计的变量及水平列表：

表2

（3）①对9组方案叶轮、导叶和泵体的内部流道进行三维造型、网格划分；采用FLUENT软件进行数值模拟分析，计算出最小流量、额定流量、最大流量下的扬程、效率结果，绘制图1流量-扬程（Q-H）性能曲线图和图2流量-效率（Q-η）性能曲线图；

②提取额定流量点效率值的Fluent数值模拟结果，见表3；

表3（9组方案额定流量点数值模拟效率、扬程值）

③利用极差法对额定流量点效率进行数据处理，各因素极差R_j反映该因素水平变动时泵效率的变动幅度，_Rj越大，影响越大；

；式中：为j因素i水平的平均值；且各因素极差Rj反映该因素水平变动时泵效率的变动幅度，R_j越大，影响越大；

例：，计算结果见表4；

表4：各因素对应效率指标的平均值与极差值计算结果（补充优化设计计算列表）

表4显示，对于泵额定点效率，各因素对其影响的主次为：A>B>C>D；对于额定点扬程，各因素对其影响的主次为：B>A>D>C；

④结合图1及表3，性能表1所规定的各个流量点扬程均满足目标要求，因此将额定点的效率作为主要考核指标，选出最优组合：A1B2C1D1，重新设计叶轮导叶；

结果比较：

额定点数值模拟效率：71.52%，优于已有9组方案；

加工、制造优化后的水力模型，测试其水力性能，结果列于表5；

表5（表3最终优化的水力性能实测结果）

CAP1400正常余热排出泵实测性能曲线及三个流量点（最小流量、设计流量、最大流量）下的必须汽蚀余量（NPSH3）均满足研制任务书的要求，全流量范围内不超功率，设计点效率为72.49%。

本发明中选取正常余热排出泵效率的四个影响因素，按大、中、小三个水平分布，若按排列组合方案设计需进行34次计算，才可选出效率最高的水力模型，而结合正交试验，仅需进行9次计算，对结果加以分析，选出最优组合；经数值模拟及实测性能验证最优组合A1、B2、C1、D1效率高于9组方案；本发明中最优组合未在已列出的9组方案内，这表明优化结果并不只是反映已选方案的结果，而是可以反映全面试验的信息。

综上所述：本发明可对现有水力模型库的水力模型进行优化设计，通过正交设计水力方案，结合数值模拟可准确快速地选出最优组合，减少试验次数，缩短研发周期，降低设计制造成本。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种核电站用正常余热排出泵的叶轮水力优化方法，其特征在于，包括如下优化步骤：

1）、确定目标函数：首先通过经验设计法对正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计，并利用Fluent软件对该水力进行数值模拟，并加工样机进行性能测试，数值模拟及样机测试结果基本符合，后续优化设计过程中可用数值模拟结果替代性能实测值；

2）、设定自变量和初始值：选取如下影响泵效率的关键因素：叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度，并选取叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度在大、中、小三个水平的相应数值；

其中：（A）、因素：试验中，凡对试验指标可能产生影响的原因都称为因素，类似于数学中的自变量；如叶轮出口安放角、导叶叶片数、导叶进口宽度以及导叶出口宽度为影响试验指标扬程及效率的4个因素；

（B）、水平：因素在试验中所处的各种状态或所取的不同值，称为该因素的水平；如因素A叶轮出口安放角的三个水平为：A1=11°，A2=14°，A3=18°；

3）、制定正交试验方案：根据影响泵水力性能的各关键因素在大、中、小三个水平的数值进行排列组合，并得到9组不同的水力正交设计方案；

4）、执行试验：分别对9组不同的水力正交设计方案中的叶轮、导叶以及泵体内部流道进行三维造型和网格划分；

5）、目标函数值计算：采用Fluent软件分别对9组方案进行数值模拟，得出最小流量、额定流量、最大流量下的扬程和效率结果，并绘制流量-扬程（Q-H）及流量-效率（Q-η）性能曲线图；

6）、寻找最优组合：根据流量-扬程（Q-H）性能曲线图和流量-效率（Q-η）性能曲线图提取额定流量点效率值的Fluent数值模拟结果，再利用极差分析法对额定流量点效率进行数据处理，并结合各因素在不同水平时对泵效率的影响趋势，选出最优组合方案；其中，极差分析法所采用的极差公式为：

；式中：为j因素i水平的平均值；且各因素极差Rj反映该因素水平变动时泵效率的变动幅度，Rj越大，影响越大；

7）、检查是否符合设计要求：

A）、如符合，完成正常余热排出泵水力部件的叶轮、导叶作初步的水力设计；

B）、如不符合，重复步骤2）。