CN105673554B

CN105673554B - 一种核主泵的反螺旋线导叶及其设计方法

Info

Publication number: CN105673554B
Application number: CN201610009409.9A
Authority: CN
Inventors: 卢永刚; 王洋; 朱荣生; 王秀礼; 张亮亮
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2018-02-27
Anticipated expiration: 2036-01-07
Also published as: CN105673554A

Abstract

本发明涉及核主泵，公开了一种核主泵的反螺旋线导叶及其设计方法。本发明考虑到核主泵为了结构的安全性采用环形蜗壳，环形蜗壳相比螺旋形蜗壳，蜗壳内部流体二次流动和回流等损失严重，核主泵的水力性能下降。本发明提供了一种核主泵的反螺旋线导叶的水力设计方法，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，该导叶主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，对导叶进行轴向不对称反螺旋线型的设计，并给出导叶进口基圆直径D₃，出口直径D₄，导叶叶片进口宽度b₃，导叶叶片包角Φ，叶片数Z，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄，导叶叶片螺旋线型以及扩散段和喉部的详细水力设计公式。

Description

一种核主泵的反螺旋线导叶及其设计方法

技术领域

本发明涉及核主泵，具体是一种核主泵的反螺旋线导叶及其设计方法。

背景技术

核主泵是核电站一回路系统中唯一旋转设备，也是最关键的核动力设备之一。核主泵的作用是在反应堆系统充水时赶气，在开启反应堆前循环升温，在正常运行时保证一回路冷却剂循环以使堆芯冷却，在事故工况下防止核事故扩大。核主泵安全稳定长期可靠的运行，对冷却堆芯、冷却剂的输送、热量的排出及防止发生核电站事故极为重要。国内外学者对核主泵的研究主要停留在核主泵的叶轮及其安全性方面，而对核主泵的导叶极少研究，AP1000核主泵的蜗壳通常采用环形蜗壳(结构的安全性高)，而其导叶外圆也为规则圆形，根据相关理论和设计经验可知，环形导叶与螺旋形蜗壳搭配时，泵的效率明显高于环形蜗壳与环形导叶的配合。在保证核主泵安全性的前提下，提高核主泵的效率，对核电有着重要意义。本发明提供一种核主泵的反螺旋线导叶，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，核主泵蜗壳内部的二次流动损失，回流损失等明显减少，在不影响核主泵结构安全性的情况下，其效率也明显提高。

发明内容

本发明的目的改善蜗壳内部流态，减少蜗壳内的二次回流和回流损失，提高核主泵的效率，设计出一种核主泵的反螺旋线导叶，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，核主泵的汽蚀性能也明显提高。

为实现上述目的，本发明根据CFX14.5模拟结果，核主泵的内部流线为不对称分布，对导叶进行轴向不对称反螺旋线型的设计，该导叶主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，对核主泵的导叶进口基圆直径D₃，出口直径D₄，导叶叶片进口宽度b₃，导叶叶片包角叶片数Z，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄，导叶叶片螺旋线型以及扩散段和喉部进行水力设计，主要由以下关系式确定：

1)核主泵的导叶进口基圆直径：

式中：

n_s—核主泵的比转速；

D₂—核主泵叶轮出口直径，mm；

D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

2)核主泵导叶进口轴向宽度:

b₃＝b₂+(3～8)mm；

式中：

b₂—核主泵叶轮出口宽度，mm；

b₃—核主泵导叶进口轴向宽度，mm；

3)导叶进口安放角α₃：

α₃＝α′₃+(3°～6°)；

式中：

v_m12—核主泵叶轮出口轴面速度，m/s；

v_m13—核主泵导叶进口轴面速度，m/s；

v_u13—核主泵导叶进口圆周速度，m/s；

Q—泵设计流量，m³/s；

ψ₂—核主泵叶轮出口叶片排挤系数，0.78～0.92；

k₁₁—速度系数，由于导叶和叶轮的排挤系数不同而产生的速度系数；

k₁₂—速度系数；

n—泵转速，r/min；

α′₃—核主泵导叶进口液流角，度；

α₃—核主泵导叶进口安放角，度；

4)导叶出口安放角α₄：

式中：

D₄—核主泵导叶出口直径，mm；

D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

α₄—核主泵导叶出口安放角，度；

5)螺旋线部分的线型方程：

式中：

R—核主泵导叶叶片Φ角所对应的螺旋线半径，mm；

R₃—核主泵导叶进口基圆半径，mm；

Φ—给定的不同的角度，弧度；

6)喉部面积与叶片数的确定：

Z＝(9～12)；

式中：

Z—核主泵导叶叶片数，枚；

R_c—核主泵导叶流道螺旋线部分c点的半径，mm；

δ₃—导叶叶片入口厚度，mm；

a₃—喉部平面宽度，mm；

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm²；

k₁₃—速度系数，取0.65～0.92；

7)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.35～1.65；

D₄/D₃＝1.56～1.95；

L/a₃＝3.0～4.5；

式中：

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm²；

F₄—导叶出口扩散段面积，mm²；

D₄—核主泵导叶出口直径，mm；

D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

L—核主泵导叶扩散段长度，mm；

a₃—喉部平面宽度，mm；

8)扩散角取值范围：

ψ＝5°～12°；

式中：

ψ—导叶进口扩散角，度；

9)导叶叶片包角参考值：

式中：

—导叶叶片的包角，度；

D₄—核主泵导叶出口直径，mm；

D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

n_s—核主泵的比转速；

10)对外圆规则的导叶叶片进行反螺旋线切割，切割反螺旋线由以下公式确定：

其中：θ∈(0～1.9π)；

R_θ—核主泵导叶以一个叶片为0°起点的θ角所对应的反螺旋线半径，mm；

R₄—核主泵导叶出口半径，mm；

k₁₄—对数螺旋线系数，k₁₄∈(0.02～0.04)；

θ—以一个叶片为0°起点旋转给定的不同的角度，弧度；

根据切割反螺旋线公式确定的几何型线，对核主泵导叶叶片进行反螺旋线切割，叶片外径发生变化，其中外径最大的叶片出口边安装时靠近蜗壳隔舌位置。

根据本发明所述设计方法设计的导叶主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，根据核主泵的内部流线的不对称分布，对导叶进行轴向不对称反螺旋线型的设计。

本发明的有益效果：

本发明能有效的改善蜗壳内部流体流态，减少蜗壳内的二次回流和回流损失，提高核主泵的效率，水力性能和汽蚀性能。

附图说明

图1是本发明一个实施例的导叶及其几何参数表示的简图；

图2是本发明导叶的反螺旋线切割简图；

图3是本发明采用反螺旋线导叶的核主泵组装简图；

附图标记说明：1-蜗壳，2-导叶，3-叶轮。

具体实施方式

图1所示为设计导叶的几何特征表述简图，下面将提供本发明方法的具体实施过程，对AP1000核主泵的反螺旋线导叶进行水力设计，设计步骤如下：

1)导叶进口基圆直径：

2)导叶进口宽度(轴向宽度):

b₃＝b₂+(3～8)mm；

3)导叶进口安放角α₃：

α₃＝α′₃+(3°～6°)；

4)导叶出口安放角α₄：

5)螺旋线部分的线型方程：

6)喉部面积与叶片数的确定：

Z＝(9～12)；

7)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.35～1.65；

D₄/D₃＝1.56～1.95；

L/a₃＝3.0～4.5；

8)扩散角取值范围：

ψ＝5°～12°；

9)导叶叶片包角参考值：

10)如图2所示，对外圆规则的导叶叶片进行反螺旋线切割，切割反螺旋线由以下公式确定：

R_θ＝1.83R₄-0.83R₄e^0.03θ；

其中：θ∈(0～1.9π)；

根据切割反螺旋线公式确定的几何型线，对核主泵导叶叶片进行反螺旋线切割，叶片外径发生变化，如图3所示，外径最大的叶片出口边安装时靠近蜗壳隔舌位置。

Claims

1.一种核主泵的反螺旋线导叶的设计方法,其特征在于，根据泵体内部的流线分布，对核主泵的导叶进口基圆直径D₃，出口直径D₄，导叶叶片进口宽度b₃，导叶叶片包角叶片数Z，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄以及扩散段和喉部进行水力设计，主要由以下关系式确定：

(1)核主泵的导叶进口基圆直径：

式中：n_s—核主泵的比转速；D₂—核主泵叶轮出口直径，mm；D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

(2)核主泵导叶进口轴向宽度:

b₃＝b₂+(3～8)mm；

式中：b₂—核主泵叶轮出口宽度，mm；b₃—核主泵导叶进口轴向宽度，mm；

(3)导叶进口安放角α₃：

<mrow> <msubsup> <mi>tan&alpha;</mi> <mn>3</mn> <mo>&prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>13</mn> </mrow> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mn>13</mn> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>

α₃＝α₃′+(3°～6°)；

式中：

v_m13—核主泵导叶进口轴面速度，m/s；

v_u13—核主泵导叶进口圆周速度，m/s；

α₃′—核主泵导叶进口液流角，度；

α₃—核主泵导叶进口安放角，度；

(4)导叶出口安放角α₄：

<mrow> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>D</mi> <mn>3</mn> </msub> <msub> <mi>D</mi> <mn>4</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>0.5</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

式中：D₄—核主泵导叶出口直径，mm；D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

α₄—核主泵导叶出口安放角，度；

(5)螺旋线部分的线型方程：

<mrow> <mi>R</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mi>&Phi;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>tan</mi> <mo>&lsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> <mi>R</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>0.5</mn> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>&alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>

式中：R—核主泵导叶叶片Φ角所对应的螺旋线半径，mm；R₃—核主泵导叶进口基圆半径，mm；Φ—给定的不同的角度，弧度；

(6)喉部面积与叶片数的确定：

Z＝(9～12)；

<mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>R</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>cos&alpha;</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>&delta;</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>13</mn> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mn>13</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mi>Z</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>

式中：

Z—核主泵导叶叶片数，枚；

R_c—核主泵导叶流道螺旋线部分c点的半径，mm；

δ₃—导叶叶片入口厚度，mm；

a₃—喉部平面宽度，mm；

Q—泵设计流量，m³/s；

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm²；

k₁₃—速度系数，取0.65～0.92；

(7)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.35～1.65；

D₄/D₃＝1.56～1.95；

L/a₃＝3.0～4.5；

式中：

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm²；

F₄—导叶出口扩散段面积，mm²；

D₄—核主泵导叶出口直径，mm；

D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；

L—核主泵导叶扩散段长度，mm；

a₃—喉部平面宽度，mm；

(8)扩散角取值范围：

ψ＝5°～12°；

式中：ψ—导叶进口扩散角，度；

(9)导叶叶片包角参考值：

式中：—导叶叶片的包角，度；D₄—核主泵导叶出口直径，mm；D₃—核主泵导叶进口基圆直径，mm；n_s—核主泵的比转速。

2.根据权利要求1中所述的一种核主泵的反螺旋线导叶的设计方法，其特征在于：对外圆规则的导叶叶片进行反螺旋线切割，切割反螺旋线由以下公式确定：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>&theta;</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1.83</mn> <msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>-</mo> <mn>0.83</mn> <msub> <mi>R</mi> <mn>4</mn> </msub> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>14</mn> </msub> <mi>&theta;</mi> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>

其中：θ∈(0～1.9π)；

R₄—核主泵导叶出口半径，mm；

k₁₄—对数螺旋线系数，k₁₄∈(0.02～0.04)；

θ—以一个叶片为0°起点旋转给定的不同的角度，弧度。

3.根据权利要求1或2所述设计方法设计的一种核主泵的反螺旋线导叶，其特征在于，主要由前盖板、叶片和后盖板三部分组成，根据核主泵的内部不对称的流线分布，导叶为不对称反螺旋线型设置。