核主泵径向导叶和压水室匹配关系对径向力影响的数值研究

摘要

核主泵是核反应堆中最重要的旋转部件，而核主泵必须能长时间承受高温、高压、强辐射腐蚀等各种环境。而正是由于这种严格的要求，核主泵的安全稳定运行将显得尤为重要。然而，核主泵叶轮所受径向力常常会导致泵轴产生疲劳破坏，进而影响核主泵工作效率以及寿命。故探究导叶与压水室匹配位置关系对叶轮径向力的影响有着重要的意义。核主泵主要由叶轮、导叶和压水室三部分组成。而导叶和叶轮的匹配共同决定了核主泵的性能以及核主泵是否能够安全稳定的运行；通过改变径向导叶的轴向以及周向安放位置，探究核主泵叶轮径向力的变化规律。本文以自己设计的某型核主泵模型泵为研究对象，探究核主泵导叶位置变化对叶轮径向力的影响，采用数值模拟的方法对核主泵内部全流场数值模拟。
　　本研究主要内容包括：⑴采用Fluent软件对模型核主泵内部进行了全三维数值模拟研究，分析了5种不同导叶轴向安放位置对模型核主泵性能的影响以及叶轮出口压力脉动的影响。结果表明，在设计工况下，随着导叶轴向位置的变化，扬程最大变化率为4.1%，效率最大变化率为4.0%，且在模型核主泵泵壳出口中心线与导叶出口中心线重合时，模型核主泵扬程和效率同时达到最大值，这说明最佳导叶轴向位置可以使核主泵性能达到相对最优。从非定常状态下分析了导叶轴向安放位置对核主泵叶轮出口的压力脉动，结果表明：适当减小模型泵泵壳出口中心线与导叶出口中心线轴向距离，可以相应减小叶轮出口压力脉动幅值，改善核主泵内部流动和降低泵内的振动，有利于核主泵的安全可靠运行。⑵分析径向导叶轴向安放位置对模型核主泵叶轮径向力的影响。结果表明，随着导叶轴向位置的变化，不仅会影响叶轮径向力的脉动幅值，也会影响其波形的变化。随着导叶出口中心线与泵出口管中心线轴向距离增加，叶轮所受径向力在叶轮旋转一周时数值波动逐渐增加，径向力方向逐渐发散。当模型核主泵泵壳出口中心线与导叶出口中心线重合时，叶轮所受径向力矢量分布相对最集中。⑶分析径向导叶周向安放位置对模型核主泵叶轮径向力的影响。结果表明，作用在叶轮上径向力脉动频率均以叶片通过频率为主，且随时间呈周期波动。其中当核主泵导叶处于某一周向位置时，叶轮所受径向力矢量分布比较集中，数值波动范围较小。导叶处于最佳周向位置时，随着流量的变化，作用在叶轮上的径向力平均值先减小后增大，以及在非设计工况下，作用在叶轮上的径向力矢量分布比较离散。故在设计工况下可以很好的改善叶轮径向力的矢量分布，同时降低泵的振动和噪声。⑷对比分析了径向导叶与压水室的匹配对核主泵内部流场的影响。结果表明，无论径向导叶如何布置，叶轮径向力矢量分布与叶轮出口压力分布有着密切的联系。以及从环形压水室内部流动的情况可以判断叶轮所受径向力矢量分布情况，也可以从导叶出口发生湍动能的区域大小判断叶轮径向力矢量分布情况。从而避免因泵轴长期受不均匀的径向力，导致其出现断裂等现象。希望本文能为核主泵径向力的研究者提供了一定指导，也为后续核主泵理论设计研究奠定一定基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 研究背景及意义

1.3 核主泵简介

1.4 国内外研究现状

1.5 研究的主要内容

1.6 本章小结

1.7 创新点

第2章 核主泵的数值计算方法与试验验证

2.1 模型泵的计算

2.2 模型泵的主要参数

2.3 网格划分和无关性验证

2.4 数值计算方法

2.5 试验验证

2.6 本章小结

第3章 导叶周向位置对核主泵叶轮径向力的影响

3.1 计算模型建立和模型算法

3.2 导叶周向位置对泵能量外特性的影响

3.3 导叶周向位置对叶轮径向力的影响

3.4 同一周向位置不同工况对叶轮径向力的影响

3.5 本章小结

第4章 导叶轴向位置对核主泵叶轮径向力的影响

4.1 计算模型建立与模型算法

4.2 导叶轴向位置对核主泵水力性能的影响

4.3 导叶轴向位置对叶轮径向力的影响

4.4 本章小结

第5章 核主泵导叶与压水室匹配对泵内特性分析

5.1 计算模型

5.2 导叶与环形压水室匹配对泵内部定常分析

5.3 导叶与压水室匹配对泵内部非定常分析

5.4 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文和成果