核电站用喷淋泵水力性能优化及安全性分析

摘要

安全壳喷淋泵是核电站中关键的专设安全设备之一。当核电站内发生严重事故时，喷淋泵就会喷淋冷凝蒸汽以降低安全壳内温度和压力，使其低于警戒值，阻止放射性物质泄漏。研制出高水力性能、高安全性的安全壳喷淋泵是核电用泵国产化的主要目标之一。因此，本文以1000MW级核电站用安全壳喷淋泵为研究对象，采用理论分析和数值计算相结合的方法对喷淋泵进行了水力性能优化和安全性分析，主要研究内容及成果如下:
　　1.较为系统地总结了国内外核电用泵、导叶设计方法、热冲击计算和地震动计算等的问题研究现状。
　　2.设计了喷淋泵的诱导轮、叶轮和导叶，其中导叶采用改进的包角两翼变换方法设计。对设计结果进行了CFD分析，结果表明:喷淋泵叶轮与导叶交界处存在大量漩涡;导叶内的流动损失最大，占总流动损失的58.88％，因此有必要对导叶进行水力性能优化。
　　3.以导叶进口形状、外缘型线走势、导叶进口安放角、导叶出口安放角、导叶包角和外缘型线形状等6个参数作为优化变量，以导叶内流动损失最小、喷淋泵水力效率最高为优化目标，建立了一种流道式导叶水力优化方法。采用该方法对导叶设计结果进行了优化，并进行了数值验证。结果表明:设计工况下，导叶内的损失减小了40.6％，泵效率由原来的62.38％提高到70.09％。
　　4.采用有限元技术分析了热冲击下喷淋泵转子系统及外壳体的应力分布规律。结果表明:转子系统在热冲击的作用过程中，热应力远大于机械应力;所有转子部件的高热应力集中区域均沿着轮毂分布，而机械应力的高应力区域则集中在叶片与轮毂或前后盖板交界处;外壳体最大热应力处位于壳体与泵座的交界处。
　　5.对喷淋泵转子系统和外壳体进行了模态计算和地震动计算，结果表明:喷淋泵转子系统为非刚性结构，喷淋泵壳体为刚体结构;转子系统和外壳体，在振动上均以水平方向为主;转子系统应力集中于轴承处;外壳体高应力集中区域靠近泵座与壳体交界处。
　　6.基于热冲击分析和地震动计算结果，采用ASME标准对喷淋泵进行安全性评定，结果表明:喷淋泵满足事故工况准则;喷淋泵结构体的最大应力小于ASME规定的材料许用应力，满足抗震规范要求。