CN107795518A - Cap1400反应堆冷却剂泵水力模型及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于离心式泵用高效水力模型，具体地说是一种CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型及其设计方法，适用于3代核反应堆系统用反应堆冷却剂泵产品的水力模型设计。该水力模型包括泵壳、叶轮、导叶、热屏和吸入导管，吸入导管位于泵壳的吸入端位置，叶轮与吸入导管间隙配合，在叶轮的出口设有导叶，导叶与热屏焊接成为一个整体并与泵壳出口形成流体吐出路径；该水力模型的泵比转数n_s＝475～490，流量总扬程H＝104.2±2％m，转数n＝1787，效率η≥0.82。采用本发明的高效率水力模型，使反应堆冷却剂泵具有较高的运行效率和工况范围。

Description

CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型及其设计方法

技术领域

本发明属于离心式泵用高效水力模型，具体地说是一种CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型及其设计方法，适用于3代核反应堆系统用反应堆冷却剂泵产品的水力模型设计。

背景技术

《我国核电中长期发展规划》将发展核电装备作为装备制造业重点发展领域，提出如下发展目标：到2020年，在引进、消化和吸收新一代百万千瓦级压水堆核电站工程设计和设备制造技术的基础上，进行再创新，实现自主化，全面掌握先进压水堆核电技术，培育国产化能力，形成较大规模批量化建设中国品牌核电站的能力。为此国家专门设立大型先进压水堆核电站重大专项，目标是开发形成具有我国自主知识产权的、功率更大的大型先进压水堆核电技术品牌。

大型先进压水堆核电站CAP1400是我国科技中长期发展规划的16个重大专项之一，是我国核电全面自主创新的标志，对保障我国能源结构优化和国家能源安全，加快推进核电强国建设进程，都将起到积极有效的促进作用。

CAP1400屏蔽电动泵是CAP1400专项的重要核一级设备，是反应堆压力边界内的唯一能动设备，是非能动型反应堆的关键主设备，其安全性、可靠性、先进性备受各方面的关注，对我国自主开发的具有知识产权的大型先进压水堆核电技术有重大影响。因此CAP1400屏蔽电动泵的自主化设计制造迫在眉睫。在CAP1400反应堆冷却剂泵的开发过程中，水力模型的设计非常关键，新产品的研发依赖于与之相对应的水力模型，因此研发高效率的反应堆冷却剂泵专用三元水力模型意义非常重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型及其设计方法，使上述反应堆冷却剂泵机组效率得以显著提高，减少机组的功耗。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该水力模型包括泵壳、叶轮、导叶、热屏和吸入导管，吸入导管位于泵壳的吸入端位置，叶轮与吸入导管间隙配合，在叶轮的出口设有导叶，导叶与热屏焊接成为一个整体并与泵壳出口形成流体吐出路径；该水力模型的泵比转数n_s＝475～490，流量总扬程H＝104.2±2％m，转数n＝1787，效率η≥0.82。采用本发明的高效率水力模型，使反应堆冷却剂泵具有较高的运行效率和工况范围。

所述泵比转数n_s的计算公式如下：

其中：

n—叶轮转速，rpm；

Q—泵的流量，m³/h；

H—泵的扬程，m；

所述水力模型中叶轮进口直径D₀的计算公式如下：

其中：

D₀—叶轮入口直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K₀—系数，通常取K₀＝4～4.5；

n—叶轮转速，rpm。

所述水力模型中叶轮出口平均直径D₂的计算公式如下：

其中：

D₂—叶轮出口平均直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K_D2—系数，取K_D2＝1.1；

n—叶轮转速，rpm。

所述K₂的计算公式如下：

其中：

n_s—泵比转数。

所述水力模型具有以下设计参数：

(1)叶轮出口平均直径D₂＝578mm；

(2)流量Q＝20927m³/h；

(3)叶轮转速n＝1787rpm；

(4)泵比转数n_s＝483；

(5)扬程H＝104.2m；

(6)效率η＝0.82。

所述叶轮为闭式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口平均直径D₂＝578mm，叶片数Z＝7，叶轮相对出口宽度b₂为叶轮出口宽度，叶轮叶片出口安装角为28.5°。

所述导叶的设计参数如下：

入口相对位置出口相对位置其中，D₂为叶轮出口平均直径，D₃为导叶入口直径，D₄为导叶出口直径。

本发明CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型的设计方法，具体设计过程如下：

(1)按照相似换算理论和速度系数法相结合进行泵的水力模型设计，然后通过CFD方法对水力模型进行优化；

(2)进行水力模型设计时，泵比转数应控制在n_s＝475～490，不能有较大的偏差。

(3)泵比转数n_s的定义：

其中：

n—叶轮转速，rpm；

Q—泵的流量，m³/h；

H—泵的扬程，m；

(4)叶轮进口直径D₀的计算公式如下：

其中：

D₀—叶轮入口直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K₀—系数，通常取K₀＝4～4.5；

n—叶轮转速，rpm。

(5)叶轮出口平均直径D₂的计算公式如下：

其中：

D₂—叶轮出口平均直径；

Q—泵的流量，m³/h；

K_D2—系数，取K_D2＝1.1；

n—叶轮转速，rpm；

n_s—泵比转数。

(6)进行水力模型设计时，额定流量应控制在性能曲线最高效率点，并使得运行工况点左右各保持一定范围，保证机组平稳、安全运行。

本发明中的水力模型与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明的水力模型具有较高的水力效率。采用以往的水力模型设计泵时，效率最高仅能达到η＝0.80，采用本发明的三元水力模型，效率达到η＝0.82～0.83；从而，减少耗功，节约能源和机组运行成本。本发明的设计方法在传统理论和现代理论相结合的初步水力模型设计基础上，进行三维造型和流场数值模拟及理论分析，然后进行多重几何尺寸修正匹配得到性能优良的水力模型。比常规的相似换算方法和数度系数法更准确、更有效的，减少了水力模型修正次数，大大缩短了整个产品研发周期，节省了大量的时间和人力成本。

附图说明

图1为本发明水力模型子午流道及结构示意图；图中，1为泵壳；2为吸入导管；3为叶轮；4为导叶；5为热屏。

图2为本发明水力模型三元叶轮叶片剪裁示意图。

图3为本发明水力模型导叶叶片剪裁示意图。

图4为泵内流场速度分布示意图。

图5为泵内压力分布示意图。

图6为水力模型试验的性能曲线；其中，横坐标为流量，纵坐标中1为效率，2为扬程。

具体实施方式

如图1所示，本发明CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型子午流道的结构如下：

该水力模型位于泵内，设有泵壳1、吸入导管2、叶轮3、导叶4及热屏5，吸入导管2位于泵壳1的吸入端位置，叶轮3与吸入导管2间隙配合，在叶轮3的出口设有导叶4，导叶4与热屏5焊接成为一个整体并与泵壳1出口形成流体吐出路径。该叶轮3为闭式的三元流动叶轮，导叶4采用径向叶片。经过设计、分析，规定子午流道中，各尺寸的含义：

D₀—叶轮入口直径；

D₂—叶轮出口平均直径；

D₃—导叶入口直径；

D₄—导叶出口直径；

本实施例中，D₀＝598.8mm；D₂＝695mm；D₃＝788mm；D₄＝1078mm；

如图2所示，三元叶轮叶片的结构如下：

闭式的三元流动叶轮，叶轮出口平均直径D₂＝695mm，叶片数Z＝7，叶轮相对出口宽度叶轮叶片出口安装角为28.5°。

如图3所示，导叶的结构如下：

导叶采用径向叶片，叶片数为Z＝18，D₂—叶轮出口平均直径，D₃—导叶入口直径，D₄—导叶出口直径；叶片入口相对位置入口安装角为29.3°，叶片出口相对位置出口安装角为31.7°。

图4为泵内流场速度分布情况，设计工况点压水室的速度分布相对较均匀。

图5为泵内的压力分布情况，压力从叶轮入口开始逐渐递增，各叶片间压力分布较为均匀。

本发明中的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型设计包括高效三元叶轮设计和导叶设计，具体过程如下：

(1)按照相似换算理论和速度系数法相结合进行泵的水力模型设计，可用于比转数相近的泵的水力模型设计；

(2)有关相似换算方法可参考“《叶片泵设计手册》，1983，沈阳水泵研究所、中国农业机械化科学研究院，机械工业出版社”一书，具体内容见该书60页，第二节。

(3)进行水力模型设计时，泵比转数应控制在n_s＝475～490，然后通过CFD(流体动力学分析)的方法对设计的水力模型进行分析及优化。通过优化后，可以改善叶轮的水力效率，减小导叶和泵壳中的水力损失，得到优秀的水力模型；

本发明中，水力模型的准确性能由车间性能试验获得，试验介质为常温水，试验结果包括：在额定转速1787rpm，流量和扬程、流量和效率等性能曲线(图6)。其中，横坐标为流量，纵坐标中1为效率，2为扬程。

本实施例中，CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型的参数如下：

(1)按公式：

n＝1787r/min.；Q＝20927m³/s；H＝104.2m/s；

经计算，得到泵比转数n_s＝483。

(2)按公式：

Q＝20927m³/h；K₀＝4～4.5；n＝1787r/min.。

经计算，得到叶轮入口直径D₀＝578。

(3)按公式：

n_s＝483，经计算，得到K₂＝4.26。

(4)按公式：

Q＝20927m³/h；K_D2＝1.1；K₂＝4.26；n＝1787r/min.。

经计算，得到叶轮出口平均直径D₂＝695。

实施例结果表明，采用本发明按照所需参数设计的三元闭式叶轮模型，使反应堆冷却剂泵产品效率提高约2％，从而大幅度降低能耗，因此，具有重要意义和广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述水力模型位于泵内，包括泵壳(1)、吸入导管(2)、叶轮(3)、导叶(4)及热屏(5)，其中吸入导管(2)位于泵壳(1)的吸入端位置，叶轮(3)与吸入导管(2)间隙配合，在叶轮(3)的出口设有导叶(4)，导叶(4)与热屏(5)焊接成为一个整体并与泵壳(1)出口形成流体吐出路径；该水力模型的泵比转数n_s＝475～490，流量总扬程H＝104.2±2％m，转数n＝1787，效率η≥0.82。

2.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述泵比转数n_s的计算公式如下：

其中：

n—叶轮转速，rpm；

Q—泵的流量，m³/h；

H—泵的扬程，m。

3.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述水力模型中叶轮进口直径D₀的计算公式如下：

其中：

D₀—叶轮入口直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K₀—系数，通常取K₀＝4～4.5；

n—叶轮转速，rpm。

4.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述水力模型中叶轮出口平均直径D₂的计算公式如下：

其中：

D₂—叶轮出口平均直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K_D2—系数，取K_D2＝1.1；

n—叶轮转速，rpm。

5.按照权利要求4所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述K₂的计算公式如下：

其中：

n_s—泵比转数。

6.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述水力模型具有以下设计参数：

(1)叶轮出口平均直径D₂＝578mm；

(2)流量Q＝20927m³/h；

(3)叶轮转速n＝1787rpm；

(4)泵比转数n_s＝483；

(5)扬程H＝104.2m；

(6)效率η＝0.82。

7.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述叶轮(1)为闭式的三元流动叶轮，三元流动叶轮的设计参数如下：

叶轮出口平均直径D₂＝578mm，叶片数Z＝7，叶轮相对出口宽度 b₂为叶轮出口宽度，叶轮叶片出口安装角为28.5°。

8.按照权利要求1所述的CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型，其特征在于：所述导叶(2)的设计参数如下：

入口相对位置出口相对位置其中，D₂为叶轮出口平均直径，D₃为导叶入口直径，D₄为导叶出口直径。

9.一种按照权利要求1所述CAP1400反应堆冷却剂泵水力模型的设计方法，其特征在于：具体设计过程如下：

(1)按照相似换算理论和速度系数法相结合进行泵的水力模型设计， 然后通过CFD方法对水力模型进行优化；

(2)进行水力模型设计时，泵比转数应控制在n_s＝475～490，即应在试验范围之内；

(3)泵比转数n_s的定义：

其中：

n—叶轮转速，rpm；

Q—泵的流量，m³/h；

H—泵的扬程，m；

(4)叶轮进口直径D₀的计算公式如下：

其中：

D₀—叶轮入口直径，m；

Q—泵的流量，m³/h；

K₀—系数，通常取K₀＝4～4.5；

n—叶轮转速，rpm。

(5)叶轮出口平均直径D₂的计算公式如下：

其中：

D₂—叶轮出口平均直径；

Q—泵的流量，m³/h；

K_D2—系数，取K_D2＝1.1；

n—叶轮转速，rpm；

n_s—泵比转数。

(6)进行水力模型设计时，额定流量应控制在性能曲线最高效率点，并使得运行工况点左右各保持一定范围，保证机组平稳、安全运行。