CN105545799A - 一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体机械领域，具体公开了一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法。针对核主泵惰转模型忽略叶轮转动惯量对惰转过程的影响，通过在设计核主泵叶轮过程中，同时考虑核主泵的叶轮几何参数对运行性能和叶轮转动惯量的影响。从而设计出的叶轮的主要参数既能很好的满足正常运行下的性能，又能使叶轮就有较大的转动惯量延长惰转时间。

Description

一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法

技术领域

本发明属于流体机械领域，涉及一种核主泵叶轮的水力设计方法，特别涉及一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法。

背景技术

核主泵，又叫核反应堆冷却剂泵，是反应堆冷却剂系统的主要设备之一，它位于核反应堆与蒸汽发生器之间，它的主要作用有以下几个：在主系统充水时,主泵被用来赶气；在开堆前，为了达到开堆要求的温度条件用主泵进行循环升温；在反应堆正常运行时，把流出蒸发器的冷却剂重新送回反应堆加热，确保一回路冷却剂循环以冷却堆芯。核主泵是核岛内部唯一旋转的设备，被称为核电站的心脏，是一回路的主要压力边界，它强调压力边界的完整性和在特殊工况下的运行的可靠性。长时间安全稳定运行对冷却堆芯和防止核电站发生事故都具有极为重大的意义。核主泵在全厂断电事故时，因失去电源而停止运转，导致通过堆芯的冷却剂流量突然减少，给反应堆的安全带来威胁，为了保障核安全,使断电事故状态下反应堆不至达到泡核沸腾状态，通常要求核主泵有一定的转动惯量，断电后的核主泵有一定的惰转时间，使泵在断电后的短时间内还提供足够的惯性流量来排除反应堆产生的热量，为此，核主泵需要设置飞轮来增加泵转子的转动惯量。核主泵机组的转动惯量主要由飞轮提供，惰转时间主要由飞轮的转动惯量大小决定，同时也需要考虑叶轮的转动惯量对惰转的影响。现阶段，针对核主泵惰转过程的研究主要集中在飞轮的转动惯量对其的影响，而叶轮转动惯量的影响对其的影响研究甚少。因而，现阶段所建立的核主泵惰转模型忽略了叶轮转动惯量对惰转过程的影响。

发明内容

针对核主泵惰转模型忽略叶轮转动惯量对惰转过程的影响，本发明提供一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法。通过在设计核主泵叶轮过程中，同时考虑核主泵的叶轮几何参数对运行性能和叶轮转动惯量的影响。核主泵断电惰转情况下，核主泵主要依靠机组的转动惯量来维持运转，叶轮的结构参数大小不但影响叶轮内部流动并且影响叶轮的转动惯量分布，因而从叶轮结构参数大小来改善叶轮内部流动和机组的转动惯量的分布来优化惰转过程，使惰转的有效时间尽可能延长。

实现上述目的所采用的技术方案是：

1、飞轮的转动惯量I₀,由以下公式确定：

$I_0=\frac{m}{2}(r^2+d_h^2)$

式中：

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

m—飞轮的质量，kg；

r—飞轮外径，m；

d_h—飞轮的轴径，m；

2、整个核主泵机组的转动惯量I,由以下公式确定：

式中：

I—机组转动惯量，N﹒m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

D₀—叶轮进口直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

β₂—叶片出口安放角，°；

—叶片包角，°；

Z—叶片数，枚；

g—重力加速度，N/kg；

ρ—叶轮材料密度，kg/m³；

b₂—叶轮出口宽度，m；

3、核主泵叶轮进口直径D₀，由下式公式确定：

$D_0=\frac{7I_0}{980}(\frac{4}{3}{Z}^{0.03}-0.11)n^{-\frac{2}{3}}{Q}^{\frac{1}{6}}{\left(2gH\right)}^{\frac{1}{4}}$

式中：

D₀—叶轮进口直径，m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg；

4、核主泵叶轮出口直径D₂，由下式公式确定：

$D_2=\frac{I_0}{914}(\frac{4}{3}{Z}^{0.03}-0.11)0.46n^{\frac{1}{6}}{Q}^{\frac{7}{12}}{H}^{-\frac{3}{8}}$

式中：

D₂—叶轮进口直径，m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg；

5、叶片出口安放角β₂，由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_2=\arctan \frac{{\mathrm{nQk}}_{D2}}{9\left(\right(1-k_Z){U_2}^2-gH)}\\ k_{D2}=-0.008D_2^2+0.018D_2+0.92\\ k_Z=\frac{7}{6}{Z}^{0.041}-0.12\\ U_2=\frac{\mathrm{\π}n\left(1.12D_2\right)}{60}\end{array}\right.$

式中：

β₂—叶片出口安放角，°；

k_D2—叶轮外径对叶片出口安放角的影响；

k_Z—叶片数安放角的影响；

U₂—叶轮出口速度，m/s；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg；

6、叶轮出口口宽度b₂，由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_2=0.019k_{D22}{k}_{\mathrm{\β}2}{n}^{0.5}{Q}^{0.5}{H}^{-0.5}\\ k_{D22}=-0.005D_2^2+0.02D_2+0.96\\ k_{\mathrm{\β}2}=-0.0006{\mathrm{\β}}_2^2+0.0481{\mathrm{\β}}_2+0.0954\end{array}\right.$

式中：

b₂—叶轮出口宽度，m；

k_D22—叶轮外径对叶片出口安放角的影响；

k_β2—叶片出口安放角对叶轮出口宽度的影响；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

7、叶片包角由以下公式确定：

式中：

—叶片包角，°；

D₀—叶轮进口直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

β₂—叶片出口安放角，°；

b₂—叶轮出口宽度，m；

本发明的有益效果：

本发明设计出的叶轮的主要参数既能很好的满足正常运行下的性能，又能使叶轮有较大的转动惯量延长惰转时间。

附图说明

图1是本发明实施例的飞轮模型结构示意图；

图2是本发明实施例的叶轮平面投影图；

图3是本发明实施例的叶轮轴面投影图；

附图标记说明：

图1：r—飞轮外径，d_h—飞轮的轴径。

图2：1—叶片，—叶片包角，β₂—叶片出口安放角。

图3：D₀—叶轮进口直径，D₂—叶轮出口直径，b₂—叶轮出口宽度。

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。

设计要求：设计工况流量为17886m³/h，设计工况扬程为111.3m，转速为1485rev/s，g取10kg/m²，叶片数取7枚，飞轮重量为8t，飞轮半径450mm，飞轮轴径取140mm，叶轮材料密度取7.85g/cm³；可得：飞轮的转动惯量I₀：888.4N﹒m；整个核主泵的转动惯量I：973.1N﹒m；核主泵叶轮进口直径D₀：660mm；核主泵叶轮出口直径D₂：710mm；核主泵叶轮出口宽度b₂：160mm；叶片出口安放角β₂：37°；叶片包角120°。

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 (7)

1.一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：整个核主泵机组的转动惯量I由下式公式确定：

式中：

I—机组转动惯量，N﹒m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

D₀—叶轮进口直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

β₂—叶片出口安放角，°；

—叶片包角，°；

Z—叶片数，枚；

g—重力加速度，N/kg；

ρ—叶轮材料密度，kg/m³；

b₂—叶轮出口宽度，m。

2.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：飞轮的转动惯量I₀,由以下公式确定：

$I_0=\frac{m}{2}(r^2+d_h^2)$

式中：

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

m—飞轮的质量，kg；

r—飞轮外径，m；

d_h—飞轮的轴径，m。

3.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：叶轮进口直径D₀由下式公式确定：

$D_0=\frac{7I_0}{980}(\frac{4}{3}{Z}^{0.03}-0.11)n^{-\frac{2}{3}}{Q}^{\frac{1}{6}}{\left(2gH\right)}^{\frac{1}{4}}$

式中：

D₀—叶轮进口直径，m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg。

4.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：叶轮出口口直径D₂由下式公式确定：

$D_2=\frac{I_0}{914}(\frac{4}{3}{Z}^{0.03}-0.11)0.46n^{\frac{1}{6}}{Q}^{\frac{7}{12}}{H}^{-\frac{3}{8}}$

式中：

D₂—叶轮进口直径，m；

I₀—飞轮转动惯量，N﹒m；

Z—叶片数，枚；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg。

5.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片出口安放角β₂由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_2=arctan\frac{{\mathrm{nQk}}_{D2}}{9\left(\right(1-k_Z){U_2}^2-gH)}\\ k_{D2}=-0.008D_2^2+0.018D_2+0.92\\ k_Z=\frac{7}{6}{Z}^{0.041}-0.12\\ U_2=\frac{\mathrm{\π}n\left(1.12D_2\right)}{60}\end{array}\right.$

式中：

β₂—叶片出口安放角，°；

k_D2—叶轮外径对叶片出口安放角的影响；

k_Z—叶片数安放角的影响；

U₂—叶轮出口速度，m/s；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m；

g—重力加速度，N/kg。

6.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：叶轮出口口宽度b₂由以下公式确定：

$\left\{\begin{array}{c}{b}_2=0.019k_{D22}{k}_{\mathrm{\β}2}{n}^{0.5}{Q}^{0.5}{H}^{-0.5}\\ k_{D22}=-0.005D_2^2+0.02D_2+0.96\\ k_{\mathrm{\β}2}=-0.0006{\mathrm{\β}}_2^2+0.0481{\mathrm{\β}}_2+0.0954\end{array}\right.$

式中：

b₂—叶轮出口宽度，m；

k_D22—叶轮外径对叶片出口安放角的影响；

k_β2—叶片出口安放角对叶轮出口宽度的影响；

n—转速，rev/min；

Q—流量，m³/s；

H—扬程，m。

7.如权利要求1所述一种核主泵的惰转模型叶轮水力设计方法，其特征在于：叶片包角φ由以下公式确定：

式中：

—叶片包角，°；

D₀—叶轮进口直径，m；

D₂—叶轮出口直径，m；

β₂—叶片出口安放角，°；

b₂—叶轮出口宽度，m。