CN212376968U

CN212376968U - 一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构

Info

Publication number: CN212376968U
Application number: CN202021360892.3U
Authority: CN
Inventors: 王晓放; 刘昊然; 鲁业明; 李滢玥; 闫勇岐
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2020-07-13
Publication date: 2021-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-13

Abstract

一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，包括15个弯叶片，其中至少一个为仿生叶片，仿生叶片的叶片前缘和叶片尾缘为连续或间断的波浪形；该波浪形为沿叶高周期性重复的曲线波形。本实用新型通过对核主泵导叶叶片前缘、尾缘的波浪形设计配合仿生叶片的位置设计，改善了核主泵导叶内的流动状态，达到了提高核主泵整体水力性能效果，并减少核主泵内部涡量。本实用新型的导叶结构使核主泵导叶内的流动得到改善，达到提高核主泵扬程和效率的目的。

Description

一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构

技术领域

本实用新型涉及核主泵结构设计领域，尤其是一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构。

背景技术

核反应堆冷却剂泵(核主泵)是核岛一回路中唯一的运动部件，一旦发生破坏，将出现严重的核事故，因此，核主泵的设计属于核心技术。水力性能如扬程和效率属于其设计过程中重要目标参数，影响其流动性和安全性。

导叶叶片是核主泵中主要的元件，也是影响水力性能因素之一。如图1-2 所示，核主泵的主要结构包括压水室1、导叶轮盘7、基础叶片3(现有的导叶叶片)、叶轮盖板6和旋转叶轮5，其中如图3所示，基础叶片3的结构包括叶片前缘9，叶片尾缘10，叶顶12和叶根11，叶顶12与叶根11间的垂直距离为叶高8。为了提高核主泵水力性能，研究人员提出了改变叶片厚度，非均布排列等常规技术手段。现有技术中对于叶片前、尾缘的改形设计，研究人员也是针对直叶片进行设计，这种设计对于核主泵这种弯叶片不能适用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种有效提高核主泵整体水力性能效果，使核主泵导叶内的流动得到改善，提高核主泵扬程和效率的具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构。

本实用新型解决现有技术问题所采用的技术方案：一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，包括导叶叶片，导叶叶片固定于核主泵压水室中的导叶轮盘上，旋转叶轮固定于导叶轮盘的中心，所述导叶叶片以导叶轮盘的轴心为圆心绕旋转叶轮的圆周排布固定，所述导叶叶片包括15个弯叶片，其中至少一个为仿生叶片，所述仿生叶片的叶片前缘和叶片尾缘为连续或间断的波浪形；该波浪形为沿叶高均匀或非均匀周期性重复的曲线波形。

仿生叶片上，位于自叶根起至小于1/2叶高之间的叶片前缘为波浪形，余下的叶片前缘为直线形，以使叶片前缘形成间断的波浪形轮廓。

仿生叶片上，位于自叶根起至小于1/2叶高之间的叶片尾缘为波浪形，余下的叶片尾缘为直线形，以使叶片尾缘形成间断的波浪形轮廓。

以位于压水室出口及中轴线处的导叶叶片为起点，顺时针方向的第9-11个导叶叶片设置为仿生叶片。

所述周期性重复的曲线波形为正弦曲线或余弦曲线。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型通过对核主泵导叶叶片前缘、尾缘的波浪形设计配合仿生叶片的位置设计，改善了核主泵导叶内的流动状态，达到了提高核主泵整体水力性能效果，并减少核主泵内部涡量。本实用新型的导叶结构使核主泵导叶内的流动得到改善，达到提高核主泵扬程和效率的目的。

附图说明

图1为本实用新型现有技术中核主泵导叶分布示意图。

图2为本实用新型现有技术中核主泵轴面流道示意图。

图3为本实用新型中基础叶片结构示意图。

图4为本实用新型实施例1的仿生叶片结构示意图。

图5为本实用新型实施例2的仿生叶片结构示意图。

图6为本实用新型实施例3的仿生叶片结构示意图。

图7为本实用新型的导叶叶片分布图。

图8为本实用新型的预生成的波浪形前缘叶片的结构示意图。

图9为本实用新型中仿生叶片的前缘基准叶片型线的生成状态图。

图10为本实用新型的核主泵导叶波浪形前缘叶片成型图。

图11为本实用新型预生成的仿生叶片的尾缘基准叶片型线结构示意图。

图12为本实用新型中仿生叶片的尾缘基准叶片型线的生成状态图。

图13为本实用新型的波浪形尾缘切割面成型图。

图14为本实用新型的导叶叶片编号示意图。

图15为核主泵扬程和效率对比曲线图。

图16为不同叶高处的核主泵导叶内部流线对比图。

图17为核主泵压水室内流线对比结果图。

图中：1-压水室、2-压水室出口、3-基础叶片、4-中轴线、5-旋转叶轮、6- 导叶盖板、7-导叶轮盘、8-叶高、9-基础叶片的叶片前缘、10-基础叶片的叶片尾缘、11-叶根、12-叶顶、13-基础叶片型线、14-实施例1的仿生叶片、15-实施例1的叶片前缘、16-实施例1的叶片尾缘、17-实施例2的仿生叶片、18-实施例2的叶片前缘、19-实施例2的叶片尾缘、20-实施例3的仿生叶片、21-实施例3的叶片前缘、22-实施例3的叶片尾缘、23-仿生叶片、24-基础叶片的叶根处型线、25-基础叶片的叶顶处型线、26-波浪形尾缘切割面、27-预生成的波浪形前缘叶片的前缘线、28-仿生叶片的前缘基准叶片型线、29-基础叶片压力面型线、30-基础叶片吸力面型线、31-中心线、32-基础叶片的椭圆短轴、33- 仿生叶片压力面型线、34-仿生叶片吸力面型线、35-椭圆弧的短轴、36-基础叶片的前缘点、37-仿生叶片前缘点、38-波浪形前缘叶片、39-波浪形前缘叶片的叶根处型线、40-波浪形前缘叶片的叶顶处型线、41-仿生叶片型线、42-压力面波浪形尾缘线、43-吸力面波浪形尾缘线、44-仿生叶片压力面尾缘点、45-仿生叶片吸力面尾缘点、46-压力面波浪形尾缘点、47-吸力面波浪形尾缘点、48-波浪形尾线、49-波浪形尾缘基准叶片型线。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本实用新型进行说明：

一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，包括15个导叶叶片，如图1-2 所示：导叶叶片固定于核主泵压水室1中的导叶轮盘7上，导叶叶片的外侧设有防止叶顶12泄漏的导叶盖板6，旋转叶轮5固定于导叶轮盘7的中心，导叶叶片以导叶轮盘7的轴心为圆心绕旋转叶轮5的圆周排布固定。如图3所示，现有的导叶叶片(基础叶片3)的基本结构包括叶片前缘9、叶片尾缘10、叶根 11和叶顶12，叶根11与叶顶12间的距离为叶高8。本实用新型的导叶叶片包括15个弯叶片，且至少一个为仿生叶片23。仿生叶片23是在基础叶片3的基础上将叶片前缘9和叶片尾缘10设为连续或间断的波浪形；该波浪形为沿叶高 8均匀或非均匀周期性重复的曲线波形，曲线波形可为正弦曲线或余弦曲线。

以下通过具体实施例展示本实用新型的仿生叶片结构：

实施例1：前缘和尾缘均为连续波浪形的仿生叶片

如图4所示：仿生叶片14的叶片前缘15和叶片尾缘16均为连续的波浪形；该波浪形为沿叶高方向振幅、角速度等参数相同的正弦或余弦曲线波形，形成均匀周期性重复曲线波形。

实施例2：尾缘为连续非均匀波浪形、前缘为间断非均匀波浪形的仿生叶片。

如图5所示：仿生叶片17上，自叶根11起至叶顶12沿叶高方向的叶片前缘18依次为一段连续的非均匀周期性重复的余弦曲线(不同振幅、角速度等参数下的余弦曲线段拼接而成的波浪形)、直线段及一段余弦曲线弧，使叶片前缘 18形成间断的非均匀波浪线轮廓；仿生叶片的尾缘19为沿叶高方向非均匀的正弦或余弦曲线波形。

实施例3：尾缘为间断的非均匀波浪形、前缘为间断的均匀波浪形的仿生叶片。

如图6所示：仿生叶片20上，自叶根11起至小于1/2叶高8之间的叶片前缘21为沿叶高方向均匀的余弦曲线而叶片尾缘22为非均匀余弦曲线，余下的叶片前缘21和叶片尾缘22为直线形。

如图7所示：优选以位于压水室出口2及中轴线4处的导叶叶片为起点，顺时针方向的第9-11个导叶叶片设置为仿生叶片23，其余导叶叶片为基础叶片3。

本实用新型通过将现有的导叶叶片(以下称为基础叶片3)的前、尾缘改进为均匀或非均匀的波浪形并配合连续波浪形及非连续波浪形的结构运用以适用于不同技术要求的场合：均匀连续的波浪形结构改进针对的是导叶叶片单个通道内的整体流动状态改进；非均匀间断的波浪形结构改进针对的是导叶叶片单个通道内特定处流动状态改进。且通过本实用新型可以将基础叶片3和仿生叶片23同时配合使用对核主泵压水室1周向特定位置进行改进。

以下为本实用新型的导叶结构设计方法：

一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构设计方法，图3示出了基础叶片的组成结构：现有的导叶叶片(即基础叶片3)由多个相同的叶片型线(基础叶片型线13)积叠而成；其中，导叶叶片包括现有的基础叶片3和仿生叶片23；包括以下步骤：

S1、确定仿生叶片的波浪形前缘范围：包括确定具有连续波浪形轮廓的前缘范围和具有间断波浪形轮廓的前缘范围：

S101、确定具有连续波浪形轮廓的前缘范围：基础叶片的叶片前缘沿叶高方向设为连续波浪形；

S102、确定具有间断波浪形轮廓的前缘范围：基础叶片的叶高为h，仿生叶片前缘f的波浪形区域叶高h_f为：

h_f＝η_fh

其中，η_f为预设的前缘叶高比，η_f∈[0,1]，优选η_f＝1/2。

仿生叶片的前缘波浪形轮廓范围为：在叶根至h_f叶高之间的基础叶片的叶片前缘上沿叶高方向设为连续波浪形；h_f叶高与叶顶之间的叶片前缘设为直线形；

S2、确定仿生叶片的前缘基准叶片型线：如图8所示，在仿生叶片23的前缘波浪形轮廓范围内，沿叶高方向均匀提取基础叶片的n_f个基础叶片型线13，基础叶片型线13包括基础叶片的叶根处型线24和基础叶片的叶顶处型线25，将提取出的基础叶片型线13自叶根11到叶顶方向依次编号为：1,2……n_f， n_f∈[2,20]。

S3、生成仿生叶片的前缘基准叶片型线：如图9所示，基础叶片型线13包括基础叶片压力面型线29、基础叶片吸力面型线30及位于基础叶片压力面型线 29和基础叶片吸力面型线30之间的中心线31；其中，基础叶片压力面型线29 位于压力面上，基础叶片吸力面型线30位于吸力面上，中心线31为基础叶片压力面型线29和基础叶片吸力面型线30所在椭圆的长轴，基础叶片压力面型线29、基础叶片吸力面型线30和中心线31的交点为基础叶片的前缘点36；

生成方法包括以下步骤：

S301、如图9所示：确定基础叶片的前缘点36处中心线的缩尺比，缩尺方式为保持基础叶片的叶片尾缘10处中心线31的端点位置不变，将基础叶片的前缘点36以前缘缩尺比γ_fk沿中心线31进行缩尺处理，得到仿生叶片前缘点37；前缘缩尺比γ_fk如下：

k＝1,2……n_f

其中，γ_fk为预设的第k个基础叶片型线的前缘缩尺比80％≤γ_fk≤100％， ML_k为第k个基础叶片型线的中心线长度，ML'_k为生成仿生叶片的第k个叶片型线的中心线长度；

S302、在基础叶片的叶片尾缘与仿生叶片前缘点37之间的空间作椭圆弧，并使仿生叶片前缘点37位于椭圆弧的长轴顶点处，同时使该椭圆弧与基础叶片压力面型线29和基础叶片吸力面型线30相切且切点为椭圆弧的短轴35顶点；与基础叶片压力面型线29相切的椭圆弧作为仿生叶片压力面型线33，与基础叶片吸力面型线30相切的椭圆弧作为仿生叶片吸力面型线34；并使位于仿生叶片前缘点37与短轴35之间的仿生叶片压力面型线33和仿生叶片吸力面型线34 分别与基础叶片的前缘点36和基础叶片型线13所在椭圆短轴32之间的基础叶片压力面型线29和基础叶片吸力面型线30的弧长相同，得到仿生叶片的前缘基准叶片型线28；

S4、波浪形前缘叶片成型：通过均匀或非均匀余弦曲线将每个仿生叶片的前缘基准叶片型线中仿生叶片前缘点37沿叶高方向依次连接，形成仿生叶片的波浪形前缘线，再以仿生叶片的前缘基准叶片型线为基准型线，沿仿生叶片的波浪形前缘线进行积叠得到波浪形前缘叶片38(如图10所示)；

S5、确定仿生叶片的尾缘波浪形轮廓范围：包括确定具有连续波浪形轮廓的尾缘范围和具有间断波浪形轮廓的尾缘范围：

S501、确定具有连续波浪形轮廓的尾缘范围：将波浪形前缘叶片的尾缘沿叶高方向设为连续波浪形；

S502、确定具有间断波浪形轮廓的尾缘范围：基础叶片的叶高为h，仿生叶片尾缘t的波浪形区域叶高h_t为：

h_t＝η_th

其中η_t为预设的尾缘叶高比，η_t∈[0,1]；优选η_t＝1/2。

仿生叶片的尾缘波浪形轮廓范围为：将位于波浪形前缘叶片的叶根至h_t之间的波浪形前缘叶片的叶片尾缘沿叶高方向设为连续波浪形；h_t与波浪形前缘叶片的叶顶之间的波浪形前缘叶片的叶片尾缘设为直线形。

S6、确定仿生叶片的尾缘基准叶片型线：如图11所示，在步骤S5的仿生叶片的尾缘波浪形轮廓范围内，沿叶高方向均匀提取波浪形前缘叶片的n_t个叶片型线作为仿生叶片型线41，该仿生叶片型线41包括波浪形前缘叶片的叶根处型线39和叶顶处型线40，将提取出的仿生叶片型线41自叶根到叶顶方向依次编号为：1,2……n_t；n_t∈[2,20]。

S7、生成仿生叶片的尾缘基准叶片型线：如图12所示，每个仿生叶片型线 41中，仿生叶片压力面型线33末端端点为仿生叶片压力面尾缘点44；仿生叶片吸力面型线34末端端点为仿生叶片吸力面尾缘点45；

仿生叶片的尾缘基准叶片型线的方法为：

保持仿生叶片前缘点位置不变，将仿生叶片压力面尾缘点44、仿生叶片吸力面尾缘点45以尾缘缩进弧长l_i分别沿仿生叶片压力面型线33、仿生叶片吸力面型线34缩进至压力面波浪形尾缘点46和吸力面波浪形尾缘点47，得到波浪形尾缘基准叶片型线49；尾缘缩进弧长l_i如下：

l_i＝(1-γ_ti)ML_i

i＝1,2……n_t

其中l_i为第i个波浪形前缘叶片的尾缘缩进弧长，γ_ti为预设的第i个波浪形前缘叶片的尾缘缩尺比，80％≤γ_ti≤100％，ML_i为第i个波浪形前缘叶片的中心线长度，ML'_i为缩进后第i个波浪形前缘叶片的中心线长度；

S8、生成仿生叶片：将同一波浪形尾缘基准叶片型线49的压力面波浪形尾缘点46和吸力面波浪形尾缘点47的连线作为波浪形尾线48；进行以下步骤：

S801、确定波浪形尾缘切割面：将每个仿生叶片型线的压力面波浪形尾缘点46和吸力面波浪形尾缘点47分别通过均匀或非均匀周期性重复的曲线连接，生成压力面波浪形尾缘线42和吸力面波浪形尾缘线43(如图11所示)，再以每个波浪形尾缘基准叶片型线49的波浪形尾线48为基准线，以压力面波浪形尾缘线42和吸力面波浪形尾缘线43为引导线，完成波浪形尾缘切割面26成型(如图13所示)；

S802、以波浪形前缘叶片为基础，用波浪形尾缘切割面26进行切割，得到具有波浪形前缘和尾缘的仿生叶片。

S9、确定仿生叶片的排布位置：

如图14所示，以导叶轮盘7的轴心为圆心绕旋转叶轮5的圆周均匀排布并固定有15个导叶叶片，其中，N个导叶叶片为仿生叶片，15-N个导叶叶片为基础叶片，1≤N≤15。

即仿生叶片的排布方式包括全仿生设置(N＝15)和部分仿生设置(1≤N<15)：

全仿生设置的方法为：在位于压水室出口2及中轴线4处设置仿生叶片作为第一仿生叶片，以第一仿生叶片为起点，以核主泵中导叶轮盘7的轴心为圆心绕旋转叶轮5的圆周方向顺时针依次均匀排布有与第一仿生叶片形状相同的另外14个仿生叶片；

部分仿生设置的方法为：如图14所示：在位于压水室出口2及中轴线4处设置基础叶片作为第1个导叶叶片，以第1个导叶叶片为起点，作为优选实施例：以核主泵中导叶轮盘7的轴心为圆心绕旋转叶轮5的圆周方向顺时针排布的第9-11个导叶叶片设置为仿生叶片，第2-8个导叶叶片、第12-15个导叶叶片均为基础叶片(如图6)。通过对此实验，采用这样的排布方式可以针对性的减少压水室1内导叶处涡量的问题。

本实用新型中，均匀或非均匀周期性重复的曲线波为相同振幅，角速度等参数的正弦曲线或余弦曲线，或由不同振幅、角速度等参数不同的正弦曲线或余弦曲线拼接组成的波浪形曲线。

图15为采用本实用新型的导叶结构的核主泵和完全采用基础叶片作为导叶叶片的核主泵在扬程和效率上对比结果，参与对比对象包括原始的基础叶片，仅前缘采用波浪形和仅尾缘采用波浪形结构的导叶叶片，分别选取7组不同流量结果进行对比，通过对比发现，采用本实用新型所提出的仿生叶片结构的核主泵能够明显提高核主泵整体水力性能，尤其在设计工况；图16示出了导叶内部流线对比，发现核主泵内导叶流动状态随叶高不同而不同，所以采用间断波浪形结构的前、尾缘的设计更具有针对性，本实验对比针对0.5倍叶高以下进行研究，通过对比发现，采用间断波浪形设计可以有效减少导叶内部涡量；图17压水室内部流动对比，发现在核主泵的压水室采用基础叶片和仿生叶片组合的方式可以针对性的解决局部导叶处存在涡量的问题。

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

Claims

1.一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，包括导叶叶片，导叶叶片固定于核主泵压水室中的导叶轮盘上，旋转叶轮固定于导叶轮盘的中心，所述导叶叶片以导叶轮盘的轴心为圆心绕旋转叶轮的圆周排布固定，其特征在于，所述导叶叶片包括15个弯叶片，其中至少一个为仿生叶片，所述仿生叶片的叶片前缘和叶片尾缘为连续或间断的波浪形；该波浪形为沿叶高均匀或非均匀周期性重复的曲线波形。

2.根据权利要求1所述的一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，其特征在于，仿生叶片上，位于自叶根起至小于1/2叶高之间的叶片前缘为波浪形，余下的叶片前缘为直线形，以使叶片前缘形成间断的波浪形轮廓。

3.根据权利要求1所述的一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，其特征在于，仿生叶片上，位于自叶根起至小于1/2叶高之间的叶片尾缘为波浪形，余下的叶片尾缘为直线形，以使叶片尾缘形成间断的波浪形轮廓。

4.根据权利要求1所述的一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，其特征在于，以位于压水室出口及中轴线处的导叶叶片为起点，顺时针方向的第9-11个导叶叶片设置为仿生叶片。

5.根据权利要求1所述的一种具有波浪形仿生结构的核主泵导叶结构，其特征在于，所述周期性重复的曲线波形为正弦曲线或余弦曲线。