CN106593943B - 一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法 - Google Patents

Abstract

一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法，核主泵流道由核主泵的盘侧流道线和盖侧流道线绕泵中轴线旋转一周而成；包括以下步骤：S1、确定流道中间线方程；S2、流道中间线离散处理；S3、根据流道中间线控制点计算盘侧流道线和盖侧流道线坐标点；S4、核主泵流道成型。本发明通过控制流道中间线来实现核主泵流道的成型，在保证流道的光顺性、高质量的过水特性同时，可以实现核主泵流道的快速程序化设计；可以根据核主泵的机械特性，灵活的选择合适的流道中间线走势并实施流道成型；本发明中的方法亦可为其他斜流式、离心式叶轮流道高质量过水特性的快速设计提供参考。

Description

一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法

技术领域

本发明涉及叶轮机械技术领域，尤其是一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法。

背景技术

核主泵是核电站反应堆的唯一旋转部件，主要为冷却剂无间断循环提供动力来源，对保证核反应堆长周期、稳定运转起着至关重要的作用。近年来关于核主泵性能提升的研究主要集中在改变叶片形状、叶片数等，而作为核主泵的关键部分，流道对核主泵机械性能的提升仍存有很大空间。

针对核主泵流道的设计，目前明确的设计准则较为少见，往往依赖于设计人员的经验：一方面在应用样条曲线来获取光顺流道时，难以保证高质量的过水特性；另一方面在追求高质量过水特性的设计过程中，工作繁琐且难以保证流道的光顺性。

发明内容

本发明的目的是提供一种在保证流道的光顺性、高质量的过水特性同时，实现核主泵流道的快速设计的基于中间线控制的核主泵流道成型方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法，所述核主泵流道由核主泵的盘侧流道线和盖侧流道线绕泵中轴线旋转一周而成；包括以下步骤：

S1、确定流道中间线方程，包括以下步骤：

(1)确定关键位置点：根据一维计算确定流道中间线的关键位置点，该关键位置点依次包括泵进口中点、泵叶片进口中点、泵叶片出口中点及泵出口中点；

(2)确定关键位置点坐标：以所述泵中轴线所在直线为横坐标轴，以过泵进口中点且垂直于泵中轴线的直线为纵坐标轴，建立直角坐标系；根据在所述直角坐标系中的分布情况依次确定泵进口中点、泵叶片进口中点、泵叶片出口中点及泵出口中点的坐标；

(3)确定流道中间线方程：所述流道中间线方程为负次幂多项式z＝a+br^-1+cr^-2+dr^-3，其中，z为关键位置点的横坐标，r为关键位置点的纵坐标；系数a、b、c、d根据得到的关键位置点坐标确定；从而确定出流道中间线；

S2、流道中间线离散处理：将步骤S1得到的流道中间线自泵进口中点到泵出口中点向纵坐标轴作投影，并将泵进口中点在纵坐标轴上投影点与泵出口中点在纵坐标轴上投影点之间的线段分割为大小均等的n段，20≤n≤100，每个分割点所对应的流道中间线上的离散点即为流道中间线控制点；根据每个分割点确定出流道中间线控制点的纵坐标值；再由步骤S1中得到的流道中间线方程得到该流道中间线控制点的横坐标值，即确定出流道中间线上第i个流道中间线控制点的坐标(z_i,r_i)，0≤i≤n，计算公式如下：

z_i＝a+br_i ^-1+cr_i ^-2+dr_i ^-3

其中，r_A为泵进口中点的纵坐标；r_D为泵出口中点的纵坐标；

S3、根据流道中间线控制点计算盘侧流道线和盖侧流道线坐标点：对第i个流道中间线控制点(z_i,r_i)所对应的盘侧流道线、盖侧流道线上的坐标点(Z0_i,R0_i)、(Z1_i,R1_i)，0≤i≤n，利用如下公式得到：

其中：C_mi＝p+qr_i ^τ，τ为常数；p＝C_Dm-qr_A；C_mi为中间流道r_i处所对应的平均子午流速；C_Am为泵进口处所对应的平均子午流速，通过一维计算得到；C_Dm为泵出口处所对应的平均子午流速，所述平均子午流速度通过一维计算得到；Q为泵流量；

S4、核主泵流道成型：盘侧流道线和盖侧流道线由步骤S3中得到的盘侧流道线、盖侧流道线的坐标点分别利用样条曲线依次连接而成，所述盘侧流道线和盖侧流道线分别绕泵中轴线旋转一周得到泵盘侧曲面和泵盖侧曲面，即得到核主泵流道。

本发明的有益效果在于：本发明通过控制流道中间线来实现核主泵流道的成型，在保证流道的光顺性、高质量过水特性同时，可以实现核主泵流道的快速程序化设计；可以根据核主泵的机械特性，灵活的选择合适的流道中间线走势并实施流道成型；本发明中的方法亦可为其他斜流式、离心式叶轮流道高质量过水特性的快速设计提供参考。

附图说明

图1是本发明的总体流程图。

图2是本发明核主泵水力模型的轴向剖面图。

图3是本发明的流道中间线在Z-R坐标系中的投影状态图。

图4是本发明盘侧流道线和盖侧流道线上坐标点的过水特性检查结果图。

图5是本发明流道截面沿流向的分布情况图。

图6是原流道与本发明流道剖面对比图。

图7是原流道叶轮出口扬程分布图。

图8是本发明流道叶轮出口扬程分布图。

图中：Z-泵中轴线、1-泵出口线、2-泵叶片出口线、3-泵盖侧流道线、4-泵叶片进口线、5-流道中间线、6-泵盘侧流道线、7-泵进口线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行说明：

图1是本发明一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法的总体流程图。一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法，核主泵流道由如图2所示的核主泵的盘侧流道线6和盖侧流道线3绕泵中轴线Z旋转一周而成，包括以下步骤：

S1、确定流道中间线方程，包括以下步骤：

(1)确定关键位置点：根据设计要求和一维计算确定流道中间线的关键位置点，该关键位置点依次包括泵进口中点A、泵叶片进口中点B、泵叶片出口中点C及泵出口中点D；其中，泵进口中点A位于泵进口线7上，泵叶片进口中点B位于泵叶片进口线4上，泵叶片出口中点C位于泵叶片出口线2上、泵出口中点D位于泵出口线1上。

(2)确定关键位置点坐标：以泵中轴线Z所在直线为横坐标轴Z，以过泵进口中点A且垂直于泵中轴线Z的直线为纵坐标轴R，建立Z-R直角坐标系(如图3所示)；根据在Z-R直角坐标系中的分布情况可依次确定泵进口中点A、泵叶片进口中点B、泵叶片出口中点C及泵出口中点D的坐标。

(3)确定流道中间线方程：流道中间线方程为z＝a+br^-1+cr^-2+dr^-3，其中，z为关键位置点的横坐标，r为关键位置点的纵坐标；系数a、b、c、d根据一维计算得到的泵进口中点A、泵叶片进口中点B、泵叶片出口中点C及泵出口中点D的坐标代入流道中间线方程中求解得到，从而确定了流道中间线。如图2所示，泵进口中点A、泵叶片进口中点B、泵叶片出口中点C、及泵出口中点D四点位于流道中间线5上。

其中，流道中间线方程采用负次幂多项式构建，这样做的好处在于使得到的流道线呈平滑起升趋势，无波动跳跃，符合核主泵流道中间线的分布规律；拟合精度高，系数少；拟合得到的z关于r求导结果仍保持光顺连续的特性，为后续设计提供了良好支撑。

S2、流道中间线离散处理：如图3所示，将步骤S1得到的流道中间线自泵进口中点A到泵出口中点D向纵坐标轴作投影，并将泵进口中点A在纵坐标轴上投影点r₀与泵出口中点D在纵坐标轴上投影点r₂₉之间的线段分割为大小均等的29段，每个分割点所对应的流道中间线上的离散点即为流道中间线控制点，根据每个分割点确定出流道中间线控制点的纵坐标值r_i，即根据(其中，r_A为泵进口中点的纵坐标；r_D为泵出口中点的纵坐标)确定r_i；再由步骤S1中得到的流道中间线方程z_i＝a+br_i ^-1+cr_i ^-2+dr_i ^-3得到流道中间线控制点的横坐标值z_i，从而确定出流道中间线上第i个流道中间线控制点的坐标(z_i,r_i)，0≤i≤n；

S3、根据流道中间线控制点计算盘侧流道线和盖侧流道线上的坐标：对第i个流道中间线控制点(z_i,r_i)所对应的盘侧流道线、盖侧流道线上的坐标点(Z0_i,R0_i)、(Z1_i,R1_i)，0≤i≤n，利用如下公式得到：

其中：C_mi＝p+qr_i ^τ，τ通常取1；p＝C_Dm-qr_A；C_mi为中间流道r_i处所对应的平均子午流速；C_Am为泵进口处所对应的平均子午流速，通过一维计算得到；C_Dm为泵出口处所对应的平均子午流速，所述平均子午流速度通过一维计算得到；Q为泵流量；

该步骤中，盘侧流道线和盖侧流道线的坐标点由流道中间线上的坐标点控制的显示表达式一步计算得到，无需进行繁琐的迭代计算，设计时间得到了节省；如图4所示，经过一系列包络圆实施过水特性检查发现，计算得到的每个盘侧流道线和盖侧流道线的坐标点均分布于包络圆上，说明基于中间线控制设计的盘侧流道线和盖侧流道线坐标点具有极佳的过水特性。

S4、核主泵流道成型：盘侧流道线和盖侧流道线由步骤S3中得到的盘侧流道线、盖侧流道线的坐标点分别利用样条曲线依次连接而成，所述盘侧流道线和盖侧流道线分别绕泵中轴线Z旋转一周得到泵盘侧曲面和泵盖侧曲面，即得到核主泵流道。

实施例：

S1、确定流道中间线方程：如图2所示，依据设计要求和一维计算得到关键位置点：泵进口中点A、泵叶片进口中点B、泵叶片出口中点C、泵出口中点D；如图3所示，过泵进口中点A作垂直于泵中轴线Z的直线R，并以泵中轴线Z为横坐标轴和垂线R为纵坐标轴，建立Z-R直角坐标系，根据在Z-R直角坐标系中的分布情况可以依次确定出A、B、C、D四点坐标；基于这四点坐标拟合确定流道中间线方程z＝a+br^-1+cr^-2+dr^-3，得到系数a、b、c、d的值。A、B、C、D四点横纵坐标数值如表1所示：

表1关键位置点横纵坐标数值表

关键位置点	z	r
			A	0.0000	0.07028
B	0.1622	0.08906
			C	0.2561	0.15533
D	0.2804	0.18710

通过将表1中的数值代入多项式方程z＝a+br^-1+cr^-2+dr^-3，通过求解方程组，从而得到系数a、b、c、d的数值，具体结果表2所示。得到流道中间线方程为：

z＝0.62857-0.11963r^-1+0.01314r^-2-(5.50685×10^-4)r^-3。

表2流道中间线方程中系数值表

流道中间线方程系数符号	a	b	c	d
					系数值	0.62857	-0.11963	0.01314	-5.50685×10<sup>-4</sup>

S2、流道中间线离散处理得到流道中间线控制点：如图3所示，将步骤S1得到的流道中间线自泵进口中点A到泵出口中点D向纵坐标轴作投影，并将泵进口中点A在纵坐标轴上投影点r₀与泵出口中点D在纵坐标轴上投影点r₂₉之间的线段分割为大小均等的29段，每个分割点所对应的流道中间线上的离散点即为流道中间线控制点，根据每个分割点确定出流道中间线控制点的纵坐标值r_i，即根据公式计算出流道中间线上各个流道中间线控制点的纵坐标值r_i，再用流道中间线方程

z_i＝0.62857+(-0.11963)r_i ^-1+0.01314r_i ^-2+(-5.50685×10^-4)r_i ^-3，计算该点的横坐标值z_i，计算得到的第i个(0≤i≤29)流道中间线控制点(z_i,r_i)结果汇总如表3所示：

表3 30个流道中间线控制点的坐标值汇总表

S3、根据流道中间线控制点计算盘侧流道线和盖侧流道线上的坐标：对于步骤S2中流道中间线控制点所对应的盘侧流道线、盖侧流道线上的坐标点，根据表3的结果，利用如下公式得到第i个流道中间线控制点(z_i,r_i)所对应的盘侧流道线、盖侧流道线上的坐标点(Z0_i,R0_i)、(Z1_i,R1_i)：

其中：C_mi＝p+qr_i ^τ，τ通常取1；p＝C_Dm-qr_A；C_mi为中间流道r_i处所对应的平均子午流速；C_Am为泵进口处所对应的平均子午流速，通过一维计算得到；C_Dm为泵出口处所对应的平均子午流速，所述平均子午流速度通过一维计算得到；Q为泵流量；

表4盘侧流道线上30个点的坐标值汇总表

表5盖侧流道线上30个点的坐标值汇总表

S4、核主泵流道成型：盘侧流道线和盖侧流道线分别由步骤S3中得到的30个盘侧流道线坐标、30个盖侧流道线坐标依次应用样条曲线连接而成，盘侧流道线和盖侧流道线分别绕泵中轴线Z旋转一周得到泵盘侧曲面和泵盖侧曲面，即得到核主泵流道。

结合图5中截面面积沿流向的数值分布特征分析可知，本发明成型的流道与一系列尺度均匀递增的包络圆相切，且流道截面面积变化均匀光顺，具备高质量的过水特性。图6是原流道与本发明流道剖面对比图，由图6可知，本发明设计出的流道相较于原流道在泵进出口宽度、轴向长度方面保持不变，符合原泵空间尺度要求。图7、图8是原流道叶轮和本发明流道叶轮CFD数值计算结果，由图分析可知：在设计工况下，本发明流道叶轮的出口平均扬程比原流道叶轮提高了0.83m，提升了近四个百分点；以上均基于本发明提出的方法在计算机程序语言中快速设计得到的。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法，所述核主泵流道由核主泵的盘侧流道线和盖侧流道线绕泵中轴线旋转一周而成；其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定流道中间线方程，包括以下步骤：

(1)确定关键位置点：根据一维计算确定流道中间线的关键位置点，该关键位置点依次包括泵进口中点、泵叶片进口中点、泵叶片出口中点及泵出口中点；

(2)确定关键位置点坐标：以所述泵中轴线所在直线为横坐标轴，以过泵进口中点且垂直于泵中轴线的直线为纵坐标轴，建立直角坐标系；根据在所述直角坐标系中的分布情况依次确定泵进口中点、泵叶片进口中点、泵叶片出口中点及泵出口中点的坐标；

(3)确定流道中间线方程：所述流道中间线方程为负次幂多项式z＝a+br^-1+cr^-2+dr^-3，其中，z为关键位置点的横坐标，r为关键位置点的纵坐标；系数a、b、c、d根据得到的关键位置点坐标确定；从而确定出流道中间线；

S2、流道中间线离散处理：将步骤S1得到的流道中间线自泵进口中点到泵出口中点向纵坐标轴作投影，并将泵进口中点在纵坐标轴上投影点与泵出口中点在纵坐标轴上投影点之间的线段分割为大小均等的n段，20≤n≤100，每个分割点所对应的流道中间线上的离散点即为流道中间线控制点；根据每个分割点确定出流道中间线控制点的纵坐标值；再由步骤S1中得到的流道中间线方程得到该流道中间线控制点的横坐标值，即确定出流道中间线上第i个流道中间线控制点的坐标(z_i,r_i)，0≤i≤n，计算公式如下：

z_i＝a+br_i ^-1+cr_i ^-2+dr_i ^-3

其中，r_A为泵进口中点的纵坐标；r_D为泵出口中点的纵坐标；

S3、根据流道中间线控制点计算盘侧流道线和盖侧流道线坐标点：对第i个流道中间线控制点(z_i,r_i)所对应的盘侧流道线、盖侧流道线上的坐标点(Z0_i,R0_i)、(Z1_i,R1_i)，0≤i≤n，利用如下公式得到：

其中：C_mi＝p+qr_i ^τ，τ为常数；p＝C_Dm-qr_A；C_mi为中间流道r_i处所对应的平均子午流速；C_Am为泵进口处所对应的平均子午流速，通过一维计算得到；C_Dm为泵出口处所对应的平均子午流速，所述平均子午流速度通过一维计算得到；Q为泵流量；

S4、核主泵流道成型：盘侧流道线和盖侧流道线由步骤S3中得到的盘侧流道线、盖侧流道线的坐标点分别利用样条曲线依次连接而成，所述盘侧流道线和盖侧流道线分别绕泵中轴线旋转一周得到泵盘侧曲面和泵盖侧曲面，即得到核主泵流道。

2.根据权利要求1所述的一种基于中间线控制的核主泵流道成型方法，其特征在于，τ＝1。