快堆钠泵水动力性能分析与导叶参数对其性能的影响

摘要

钠冷快中子堆系统属于第四代核能系统，其二回路钠循环主泵是整个系统的核心装备。基于高效与安全角度，为了探求工作流量与导叶关键参数对快堆二回路钠泵水力性能、压力脉动及径向力的影响，本课题以比转速为95的示范快堆二回路钠泵原型样机（单级单吸离心泵）为研究对象，结合理论分析与数值计算的方法，分析了不同流量、不同导叶进口直径与不同导叶叶片数下模型泵的水力性能、内部流场状态、压力脉动与转子所受径向力特征。本文的具体工作如下： 1.不同流量下快堆二回路钠泵性能分析 通过定常计算，分析了不同流量下模型泵的水力性能参数与其内部流场状态。在0.3~1.3Qopt区间内，钠泵扬程与效率的计算值与试验值吻合良好，两者的变化趋势基本一致。其中，钠泵的效率值随流量增大呈先增后减的趋势变化，并在1.0~1.1Qopt区间内存在高效率区。在设计工况点和大流量工况下，钠泵内部流动状态良好。小流量工况下，钠泵内部流动状态较差。 通过非定常计算，分析了不同流量下模型泵内各测点的压力脉动、转子所受径向力脉动及分布特征。不同流量下钠泵各测点压力脉动主频均为叶频，导叶出口处的脉动频域分布受到复杂涡结构影响。在设计流量工况附近，各测点压力脉动幅值与频谱特征十分相似；在严重偏离设计工况的小流量下，各测点压力脉动幅值增大。同时，在严重偏离设计工况点时，转子上的径向力脉动主频降低，脉动强度明显增大，径向力矢量分布不规则，转子所受径向力脉动的频谱特征及矢量分布与流场结构密切相关。 2.导叶进口直径对快堆二回路钠泵性能的影响 以5种不同导叶进口直径的模型泵为研究对象，通过定常计算，分别对其水力性能及内部流场状态进行对比分析。在设计工况点及其附近工况，导叶进口直径为568mm的模型泵整体水力性能最优；在设计工况点，当导叶进口直径为560mm时，钠泵动静叶栅间隙处水力损失最小；导叶进口直径为576mm时，导叶流道的水力损失最小。 通过非定常计算，分析了不同导叶进口直径下模型泵的压力脉动、转子所受径向力脉动及分布特征。各测点压力脉动主要受动静干涉作用影响，随着导叶进口直径的增大，各测点脉动幅值均逐渐减小，并在导叶进口基圆直径为576mm时达到最小值。随着动静叶栅间隙增大，导叶进口、中段及出口处压力脉动幅值均逐渐下降，相对间隙为9.09%的模型泵脉动幅值最低。此外，叶轮径向力脉动也受动静干涉作用的影响。随着动静叶栅间隙增大，转子径向力脉动的主要激励频率逐渐降低，高频脉动逐渐衰弱。当S=4.55%时，转子径向力主频幅值最大，且此时转子所受径向力矢量大小随其自身旋转变化最为明显；当S=3.03%时，转子径向力主频幅值最小，转子径向力矢量分布最为集中，平衡效果最好。 3.导叶叶片数对钠泵性能的影响 以导叶叶片数为8、9、10、11的4种模型泵为研究对象，通过定常计算，分别对其水力性能及内部流场状态进行对比分析。在0.8~1.2Qopt工况下，导叶叶片数为9的模型泵外特性最优。在标准工况下，导叶叶片数为9的模型泵导叶流道的导流效果最好，其压水室内部流动状态也较为良好，两处的能量损失较低。 通过非定常计算，分析了不同导叶进口直径下模型泵的压力脉动、转子所受径向力脉动及分布特征。不同导叶叶片数下，各测点压力脉动及转子径向力脉动均受到动静干涉作用的影响。随着导叶叶片数增加，导叶进口、中段及出口处压力脉动幅值均呈先减后增的趋势变化。当导叶叶片数为10时，各测点的压力脉动幅值达到最低。当导叶叶片数为11时，转子所受径向力大小随时间变化最为明显；当导叶叶片数为8时，转子所受径向力的平衡效果最优。

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附表索引

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

1.1.1核电技术的发展及要求

1.1.2泵压力脉动研究的实际意义

1.2国内外研究现状

1.2.1核主泵研究现状

1.2.2泵压力脉动研究现状

1.3 课题主要内容及创新性

1.3.1研究内容

1.3.2课题的创新性

1.4 课题来源

第2章 模型建立与研究方法

2.1计算模型建立

2.2流动控制方程

2.3湍流模型

2.4边界条件及求解设置

2.5网格生成与无关性验证

2.6数值计算准确性验证

2.6.1快堆二回路钠泵性能参数计算方法

2.6.2准确性验证

2.7压力脉动研究方法

2.7.1监测点布置方案

2.7.2时域法

2.7.3频域法

2.8本章小结

第3章 不同流量下快堆二回路钠泵性能分析

3.1不同流量下快堆二回路钠泵外特性分析

3.2不同流量下快堆二回路钠泵流场状态分析

3.2.1不同流量下快堆二回路钠泵流线分布

3.2.2不同流量下快堆二回路钠泵静压分布

3.2.3不同流量下快堆二回路钠泵湍动能分布

3.3不同流量工况下钠泵压力脉动分析

3.3.1不同流量工况下压力脉动时域分析

3.3.2不同流量下压力脉动频域分析

3.4 不同流量下钠泵转子径向力分析

3.4.1不同流量下转子径向力频谱分析

3.4.2不同流量下转子径向力矢量分布

3.5本章小结

第4章 导叶进口直径对快堆二回路钠泵性能的影响

4.1导叶基圆直径变化方案

4.2导叶基圆直径对钠泵性能及流场分析

4.2.1导叶基圆直径对钠泵外特性的影响

4.2.2 导叶进口直径对钠泵内部流场的影响

4.3导叶进口直径对钠泵压力脉动的影响

4.3.1导叶进口直径对导叶进口处压力脉动的影响

4.3.2导叶进口直径对导叶流道中段压力脉动的影响

4.3.3导叶进口直径对导叶出口处压力脉动的影响

4.3.4导叶进口到出口压力脉动幅值变化

4.4导叶进口直径对转子径向力的影响

4.4.1 转子径向力脉动频谱分析

4.4.2转子径向力矢量分布特性分析

4.5 本章小结

第5章 导叶叶片数对钠泵性能的影响

5.1导叶叶片数变化方案

5.2导叶叶片数对钠泵性能及内部流场的影响

5.2.1导叶基圆直径对钠泵外特性的影响

5.2.2 导叶叶片数对钠泵内部流场的影响

5.3导叶叶片数对钠泵压力脉动的影响

5.3.1导叶叶片数对导叶进口处压力脉动分析

5.3.2导叶叶片数对导叶流道中段压力脉动影响

5.3.3导叶叶片数对导叶出口处压力脉动影响

5.3.4导叶进口到出口压力脉动幅值变化

5.4导叶叶片数对转子径向力的影响

5.4.1 转子径向力脉动频谱分析

5.4.2转子径向力矢量分布特性分析

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 研究总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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