AP1000核主泵优化设计及全特性数值模拟

摘要

核主泵是核电站一回路系统中唯一旋转设备，也是最关键的核动力设备之一。在失水事故工况下，核主泵呈现一个复杂的瞬变流动状态，使主泵运行条件恶化，甚至丧失冷却堆芯的功能，发生失水事故瞬变过渡过程时，流动突变导致压力突变，形成压力波沿主泵内壁传播，使其受到瞬时高低压的冲击。核主泵在失水事故复杂工况下运行可靠是其性能考核的重要指标。
　　本文运用数值模拟与试验研究相结合的方法，分别进行了AP1000核主泵CFD软件设置对比分析、导叶的正交优化设计、泵壳断面形状优化设计、叶轮高效设计、核主泵小流量工况特性、泵的性能试验、核主泵全特性研究，模型泵换算成实型泵的效率达到83％。主要研究内容及成果如下:
　　1.介绍了控制方程、离散方法、湍流模型、边界条件、网格划分等数值模拟基础理论，采用Workbench软件对泵过流部件进行非结构化网格划分，对CFD设置进行了单相定常计算比较，确定了合适的参数设置。
　　2.应用数值模拟和正交实验结合的方法，分别研究了导叶几何参数如导叶出口中心轴向长度s、导叶包角ψ、导叶出口安放角α4、导叶出口宽度b4、导叶尾缘厚度δ2、叶轮导叶平行间隙Rt和导叶出口半径R4对模型泵性能的影响，综合考虑，可以找出兼顾各方面最优指标的最优参数组合:s=490mm、ψ=36°、α4=30°、b4=200mm、δ2=20mm、Rt=5mm、R4=565mm。
　　3.在泵壳过流断面面积不变情况下，对三种过流断面形状的主泵的外特性、水力损失分布、内部流场进行分析，泵壳过流断面面积相近时，虽然断面形状变窄对主泵的性能略有提高，但并不明显，考虑到核主泵在受应力时的安全要求，建议采用宽型断面形状的泵壳。
　　4.分别研究了主泵叶轮主要几何参数（叶片包角、不同叶轮进口边位置）对核主泵性能的影响，通过对比分析选取100°包角和进口边位置b。
　　5.对AP1000核主泵在0.2Q～0.6Q小流量工况下进行非定常数值计算，得到泵内部流场和各工况监测点的压力脉动，并将时域信号进行快速傅里叶变换为频域信号，结合小流量工况下核主泵内部流场分析，揭示核主泵小流量非定常流动诱发压力脉动原因。
　　6.对AP1000核主泵实型泵水力部件优化设计，将优化后的实型泵缩小成模型泵，通过试验研究对前期计算结果进行验证分析，验证了水力设计的可靠性，应用CFD软件进行核主泵的数值模拟具有一定的准确度和可靠度。
　　7.对核主泵失水事故时复杂工况的全特性进行研究，分析了四象限工况下的核主泵全特性曲线变化规律，叶轮、叶片、前后盖板的扭矩曲线变化规律，及叶轮、叶片、前后盖板的轴向力曲线。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 核主泵介绍

1．2 主回路系统

1．3 课题的研究背景、目的和意义

1．4 国内外研究现状及发展动态

1．5 本课题研究的主要内容

第二章 数值计算方法

2．1 数值模拟理论基础

2．1．1 控制方程

2．1．2 离散方法

2．1．3 湍流模型

2．1．4 边界条件

2．2 网格划分与网格无关性检查

2．2．1 网格的分类及特点

2．2．2 网格划分

2．3 CFD软件设置的比较

2．3．1 外特性计算模型

2．3．2 收敛精度的比较

2．3．3 壁面粗糙度的对比

2．3．4 进出口边界条件的比较

2．3．5 湍流模型的比较

2．4 本章小结

第三章 AP1000核主泵压水室的设计方法研究

3．1 导叶的正交试验

3．1．1 试验目的

3．1．2 导叶水力设计

3．1．3 试验因素和试验方案

3．1．4 正交实验结果与分析

3．2 泵壳断面形状

3．2．1 外特性分析

3．2．2 水力损失分布

3．2．3 流场分析

3．3 本章小结

第四章 AP1000核主泵叶轮的高效设计研究

4．1 叶片包角

4．1．1 扬程曲线分析

4．1．2 效率曲线分析

4．1．3 轴功率曲线分析

4．2 叶片进口边

4．2．1 扬程曲线分析

4．2．2 效率曲线分析

4．2．3 功率曲线分析

4．3 本章小结

第五章 AP1000核主泵小流量工况特性研究

5．1 计算方法

5．1．1 边界条件

5．1．2 非定常模拟设置及监测点的选取

5．2 计算结果及分析

5．2．1 圆周方向压力脉动时域图

5．2．2 叶轮流道内压力脉动时域与频域分析

5．2．3 导叶流道内压力脉动时域与频域分析

5．2．4 叶轮出口边周向压力脉动时域与频域分析

5．2．5 导叶出口边周向压力脉动时域与频域分析

5．3 流场分析

5．3．1 静压分布

5．3．2 速度云图

5．3．3 湍动能分析

5．4 本章小结

第六章 AP1000核主泵模型泵性能试验研究

6．1 模型泵相似换算

6．2 模型泵试验

6．2．1 试验设备及仪表

6．2．2 试验方法及试验工作台

6．2．3 试验步骤

6．2．4 性能试验

6．3 试验结果与分析

6．3．1 试验结果

6．3．2 结果分析

6．4 本章小结

第七章 AP1000核主泵的全特性研究

7．1 核主泵的全特性曲线

7．2 泵的全特性曲线分析

7．2．1 转速为正

7．2．2 转速为负

7．2．3 转速为零

7．3 叶片和前后盖板的扭矩分析

7．3．1 叶片扭矩

7．3．2 前后盖板叶片扭矩

7．4 叶轮、叶片及前后盖板轴向力分析

7．4．1 叶轮轴向力

7．4．2 叶片轴向力

7．4．3 前后盖板轴向力

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 研究结果总结

8．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文及工作内容