CN105805044B - 一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体机械，是一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶及其设计方法。考虑到核主泵蜗壳内的二次回流和回流损失，根据核主泵的内部不对称的流线分布，对导叶外径进行不对称的对数螺旋线型加大延伸设计，并采用长短叶片，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，有效的改善了流体流态，核主泵汽蚀性能也明显提高。该导叶主要由前盖板、短叶片、长叶片和后盖板四部分组成，并给出了核主泵导叶进口基圆直径D₃，出口基圆直径D₄，导叶叶片轴向进口宽度b₃，导叶叶片轴向出口宽度b₄，长叶片数Z₁，短叶片数Z₂，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄，长叶片厚度δ₃，短叶片厚度δ₄，导叶外径对数螺旋线型R_L，以及扩散段和喉部的水力设计方法及公式。

Description

一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶及其设计方法

技术领域

本发明涉及流体机械，特别涉及核主泵导叶的设计，是一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶及其设计方法。

背景技术

核反应堆冷却剂泵(简称核主泵)是核电站反应堆冷却剂系统中的“心脏”，是核岛一回路系统中唯一旋转设备。每个蒸汽发生器系统至少配有一个核主泵，一般与核反应堆压力容器直接相连，核主泵连续不断地把堆芯中核裂变产生的热量传递给蒸汽发生器二回路给水，用来将冷水泵入蒸发器转换热能，同时确保有足够的冷却剂通过堆芯，以维持偏离泡核沸腾比大于允许值。核主泵是核电运转控制水循环的关键，属于核电站的一级设备，在核能发电中有着无可替代的作用。

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。核主泵导叶是除叶轮之外最重要的过流部件，其作用在于将流体的动能转化成压能，同时消除流动环量，确保液体的稳定过流。导叶设计合理与否直接影响核主泵各项性能。

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，核主泵的蜗壳因考虑到安全性能通常采用环形蜗壳，而其导叶外圆也为规则圆形。申请号为CN201310405817.2的专利公开了一种AP1000核主泵径向导叶水力设计，采用径向导叶正导叶的设计方法,实现液体导流功能；申请号为CN201320109102.8的专利公开了一种带长短叶片导叶的AP1000核主泵，确保核主泵能在小流量工况稳定运行。但以上设计与传统的离心式径向导叶设计方法过于接近，设计不够完善，对导叶及蜗壳内部流态的不均匀考虑欠缺，对液体的导流和能量转换程度不够。

本发明公布了一种带长短叶片的对数螺旋线导叶，针对核主泵的内部液流流线为不对称分布，对规则的导叶外径进行的对数螺旋线型加大延伸设计，并采用长短叶片，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，有效的改善了流体流态，核主泵抗汽蚀性能明显提高，确保核主泵在各个工况下安全稳定运行。

发明内容

本发明的目的是改善蜗壳内部流态，防止尾流的产生与发展，有助于减少二次流动损失，减少蜗壳内的二次回流和回流损失，提高核主泵的效率，同时减少机组的震动，加强核主泵在各个工况下的运行安全性和稳定性，延长核主泵导叶和整机的使用寿命。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

针对核主泵的内部流线为不对称分布，导叶外径在θ∈(0～1.95π)时由对数螺旋线R_L确定，其余部分由R₄确定，并采用长短叶片，使核主泵环形蜗壳的内部流道空间为反螺旋线空间，有效的改善了流体流态，核主泵抗汽蚀性能明显提高。该导叶主要由前盖板、长短叶片和后盖板三部分组成，并给出了核主泵导叶进口基圆直径D₃，出口基圆直径D₄，导叶叶片轴向进口宽度b₃，导叶叶片轴向出口宽度b₄，长叶片数Z₁，短叶片数Z₂，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄，导叶外径对数螺旋线型R_L，以及扩散段和喉部的水力设计，主要由以下关系确定：

(1)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)导叶轴向进口宽度:

式中：

Q—核主泵设计流量，m³/s；

b₂—核主泵叶轮出口轴向宽度，mm；

b₃—核主泵导叶轴向进口宽度，mm；

(3)导叶进口安放角α₃：

v_m3＝k₁v_m2

tanα₃＝(1.08～1.33)tanα′₃

式中：

β₂—核主泵叶轮出口叶片安放角，°；

v_m2—核主泵叶轮出口轴面速度，m/s；

v_m3—核主泵导叶进口轴面速度，m/s；

v_u2—核主泵叶轮出口圆周速度，m/s；

v_u3—核主泵导叶进口圆周速度，m/s；

k₁—速度系数；

α′₃—核主泵导叶进口液流角，°；

α₃—核主泵导叶进口安放角，°；

(4)导叶出口安放角α₄：

式中：

α₄—核主泵导叶出口安放角，°；

n—核主泵转速，r/min；

D₄—核主泵导叶出口基圆直径，mm；

(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，rad；

(6)导叶长叶片叶片数：

Z₁＝(8～14)

式中：

Z₁—核主泵导叶长叶片叶片数，枚；

(7)导叶长叶片厚度：

式中：

n—核主泵转速，r/min；

δ₃—导叶长叶片厚度，mm；

(8)导叶喉部面积的确定：

式中：

R_c—核主泵导叶流道螺旋线部分半径，mm；

δ₃—导叶长叶片厚度，mm；

c₃—喉部平面宽度，mm；

F—导叶喉部面积，mm²；

k₂—速度系数，取0.62～0.92；

(9)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.45～1.65

D₄/D₃＝1.35～1.65

L/c₃＝3.0～4.5

式中：

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm；

F₄—导叶出口扩散段面积，mm；

D₄—核主泵导叶出口基圆直径，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；

(10)扩散角取值范围：

ψ＝6°～12°

式中：

ψ—导叶进口扩散角，°；

(11)延伸对数螺旋线由以下公式确定：

R_L＝1.06R₄·e^0.0095θ-0.06R₄e^-0.47θ

其中：θ∈(0～1.95π)

R_L—核主泵导叶以靠近中垂线一个叶片为0rad起点的θ角所对应的对数螺旋线半径，mm；

R₄—核主泵导叶出口基圆半径，mm；

θ—以靠近中垂线一个叶片为0rad起点旋转给定的不同的角度，rad；

(12)导叶短叶片叶片数：

Z₂＝Z₁

式中：

Z₂—核主泵导叶短叶片叶片数，枚；

(13)导叶短叶片长度：

式中：

L_i—核主泵导叶相应各短叶片长度，mm；

(14)导叶短叶片厚度：

式中：

δ₄—核主泵导叶短叶片厚度，mm；

根据对数螺旋线公式确定的几何型线，对核主泵导叶叶片进行对数螺旋线延伸加大，叶片外径从导叶出口基圆中线开始逆时针逐渐加大，相应叶片则相应顺势延伸至外螺旋线处，其中外径最大的叶片出口边靠近蜗壳隔舌位置。导叶采用长短叶片，短叶片均匀分布于长叶片中间且靠近导叶出口外缘，短叶片为直叶片，其数量与长叶片相等，并且对长短叶片进口处叶片修圆。

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；(a)-轴面图，(b)-平面图(去前盖板，从前盖板向后盖板方向看)；

图2是本发明导叶的带长短叶片的对数螺旋线加大延伸简图；

图3是本发明中导叶的核主泵组装简图；

图中：1.核主泵导叶进口基圆直径D₃；2.核主泵导叶出口基圆直径D₄；3.核主泵导叶进口轴向宽度b₃；4.核主泵导叶出口轴向宽度b₄；5.核主泵导叶进口安放角α₃；6.核主泵导叶出口安放角α₄；7.导叶喉部平面宽度c₃；8.核主泵导叶出口平面宽度c₄；9.核主泵导叶长叶片厚度δ₃；10.核主泵导叶短叶片厚度δ₄；11.核主泵导叶对数螺旋线R_L；12.核主泵泵体；13.核主泵导叶；14.核主泵叶轮；15.核主泵导叶短叶片；16.核主泵导叶长叶片；17.核主泵导叶前盖板；18.核主泵导叶后盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行介绍。

一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶，主要由导叶前盖板(17)、导叶短叶片(15)，导叶长叶片(16)和导叶后盖板(18)四部分组成,根据核主泵的内部不对称的流线分布，导叶外径在θ∈(0～1.95π)时由对数螺旋线R_L确定，其余部分由R₄确定，并设计带有长短叶片(15),(16)。

图1所示为设计导叶的几何参数简图，下面将提供本发明方法的具体实施过程，对AP1000核主泵进行带长短叶片的对数螺旋线导叶的水力设计，其设计点流量Q为17886m³/h,扬程H为111.3m，转速为1750r/min，设计步骤如下：

(1)进口基圆直径：

(2)导叶轴向进口宽度:

(3)导叶进口安放角α₃：

v_m3＝k₁v_m2

tanα₃＝(1.08～1.33)tanα′₃

(4)导叶出口安放角α₄：

(5)螺旋线部分的线型方程：

(6)导叶长叶片叶片数：

Z₁＝11

(7)导叶长叶片厚度：

(8)导叶喉部面积的确定：

k₂＝0.86

(9)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.45～1.65

D₄/D₃＝1.35～1.65

L/c₃＝3.0～4.5

(10)扩散角取值范围：

ψ＝6°～12°

(11)延伸对数螺旋线由以下公式确定：

R_L＝1.06R₄×e^0.0095θ-0.06R₄e^-0.47θ

其中：θ∈(0～1.95π)

(12)导叶短叶片叶片数：

Z₂＝Z₁

(13)导叶短叶片长度：

(14)导叶短叶片厚度：

本发明的保护范围不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内的其它实施例和变形例。

Claims (4)

1.一种核主泵带长短叶片的对数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，导叶出口基圆直径D₄，导叶叶片轴向进口宽度b₃，导叶叶片轴向出口宽度b₄，长叶片数Z₁，短叶片数Z₂，导叶进口安放角α₃，导叶出口安放角α₄，长叶片厚度δ₃，短叶片厚度δ₄，以及扩散段和喉部进行水力设计，同时导叶外径在θ∈(0～1.95π)时由对数螺旋线R_L确定，其余部分由R₄确定，其各几何设计参数主要由以下关系式确定：

(1)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)导叶轴向进口宽度:

式中：

Q—核主泵设计流量，m³/s；

b₂—核主泵叶轮出口轴向宽度，mm；

b₃—核主泵导叶轴向进口宽度，mm；

(3)导叶进口安放角α₃：

v_m3＝k₁v_m2

tanα₃＝(1.08～1.33)tanα₃′

式中：

β₂—核主泵叶轮出口叶片安放角，°；

v_m2—核主泵叶轮出口轴面速度，m/s；

v_m3—核主泵导叶进口轴面速度，m/s；

v_u2—核主泵叶轮出口圆周速度，m/s；

v_u3—核主泵导叶进口圆周速度，m/s；

k₁—速度系数；

α₃′—核主泵导叶进口液流角，°；

α₃—核主泵导叶进口安放角，°；

(4)导叶出口安放角α₄：

式中：

α₄—核主泵导叶出口安放角，°；

n—核主泵转速，r/min；

D₄—核主泵导叶出口基圆直径，mm；

(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，rad；

(6)导叶长叶片叶片数：

Z₁＝(8～14)

式中：

Z₁—核主泵导叶长叶片叶片数，枚；

(7)导叶长叶片厚度：

式中：

n—核主泵转速，r/min；

δ₃—导叶长叶片厚度，mm；

(8)导叶喉部面积的确定：

式中：

R_c—核主泵导叶流道螺旋线部分c点的半径，mm；

δ₃—核主泵导叶长叶片厚度，mm；

c₃—喉部平面宽度，mm；

F—导叶喉部面积，mm²；

k₂—速度系数，取0.62～0.92；

(9)扩散段的设计：

F₄/F₃＝1.45～1.65

D₄/D₃＝1.35～1.65

L/c₃＝3.0～4.5

式中：

F₃—导叶进口扩散段喉部面积，mm；

F₄—导叶出口扩散段面积，mm；

D₄—核主泵导叶出口基圆直径，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；

(10)扩散角取值范围：

ψ＝6°～12°

式中：

ψ—导叶进口扩散角，°；

(11)对数螺旋线R_L的关系式：

R_L＝1.06R₄e^0.0095θ-0.06R₄e^-0.47θ

其中：θ∈(0～1.95π)

R_L—核主泵导叶以靠近中垂线一个叶片为0rad起点的θ角所对应的对数螺旋线半径，mm；

R₄—核主泵导叶出口基圆半径，mm；

θ—以靠近中垂线一个叶片为0rad起点旋转给定的不同的角度，rad。

2.如权利要求1所述的一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶的设计方法，其特征在于,导叶外径最大的叶片出口边靠近蜗壳隔舌位置。

3.如权利要求1所述的一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶的设计方法，其特征在于,本发明采用长短叶片，且短叶片均匀分布于长叶片中间且靠近导叶出口外缘，短叶片为直叶片，短叶片的长度，数量及厚度由以下公式确定：

(1)导叶短叶片叶片数：

Z₂＝Z₁

式中：

Z₂—核主泵导叶短叶片叶片数，枚；

(2)导叶短叶片长度：

式中：

L_i—核主泵导叶相应各短叶片长度，mm；

(3)导叶短叶片厚度：

式中：

δ₄—核主泵导叶短叶片厚度，mm。

4.如权利要求1-3任一项所述设计方法设计的一种核主泵带长短叶片的对数螺旋线导叶，其特征在于,所述导叶主要由导叶前盖板(17)、导叶短叶片(15)，导叶长叶片(16)和导叶后盖板(18)四部分组成,根据核主泵的内部不对称的流线分布，对导叶外缘进行不对称的螺旋线型加大设计。