AP1000海水循环泵研制及其内流场特性研究

摘要

近些年来，随着清洁能源技术在全世界的发展和推广，我国核电产业进入高速发展时期，尤其是AP10000三代核电站在国内的兴建，使得作为泵行业高端产品的核电泵市场开始显著增长。其中大型海水循环泵作为AP10000三代核电系统的重要设备，其也是现阶段核电泵国产化的重要项目之一。本文采用理论分析、模型试验和数值分析相结合的方法对AP10000海水循环泵机组的水力模型、结构设计和内流场特性等方面进行了系统的研究，以此加快和提高AP10000海水循环泵机组的国产化进度和水平。此外，通过本文在模型泵内流场演化、回流特性和叶轮动态径向力方面的研究，为揭示斜流泵内流场相关特性提供了重要的参考。本文的主要研究工作和创造性成果如下:
　　 1.在参考以往优秀水力模型和相关设计原则的基础上，设计获得了AP10000海水循环泵的水力模型，并采用高精度闭式试验台对其进行了性能测试，结果显示该水力模型能够满足AP10000海水循环泵机组的设计性能要求，从而为进一步的研发打下了基础。
　　 2.分别采用标准k-ε、RNGk-8与SSTk-ω湍流模型对模型泵进行了数值计算研究，基于水力性能和内流场分布特征两个方面对不同湍流模型的分析结果进行了研究,并针对不同湍流模型在非设计工况下的适用性进行了重点研究，通过在0.2Q0到1.2Q0工况内的湍流模型适用性分析，其结果显示RNGk-8与SSTk-ω模型比标准k-ε模型更适用于模型泵在非设计工况下的数值分析研究。
　　 3.采用理论分析方法对具有球形外缘的斜流泵叶轮内流场二次流发生和演化机理进行了研究，基于理论推导结果对由二次流引发的叶轮内流场回流现象发生规律进行了总结。对具有普遍意义的斜流泵稳定性能曲线特征进行了分析，采用理论分析方法就叶轮进、出口回流对其理论扬程的影响进行了研究，并首次提出一种适用于工程应用的临界流量概念。通过数值计算对模型泵内流场回流及演化特性进行了研究，并针对叶轮进、出口和导叶出口处的环量分布随采样线位置及工况变化特征进行了详细分析，首次发现小流量工况下叶轮出口回流中存在的逆流现象，为进一步深入研究斜流泵叶轮出口的回流涡旋分布提供了参考。
　　 4.采用非定常数值计算方法对模型泵叶轮动态径向力和出口流道压力脉动进行了研究，首次对不同工况下的叶轮动态径向力在时域和频域内的变化特性进行了较为系统的分析，发现了叶轮动态径向力在特定频率下的峰值随工况变化的规律。通过进一步针对叶轮与导叶之间过渡流道内压力脉动变化特性的研究，证实了叶轮出口回流对于叶轮动态径向力、压力脉动和动静干涉现象的影响。此外，还针对模型泵机组的振动特性进行了试验研究，分析得到机组振动强度随流量变化规律以及主要振动分量的组成。
　　 5.设计得到采用楔形导水结构的海水循环泵进水池方案，并基于目标函数优化的方法对进水池方案进行了比较分析，得到较为合理的进水池设计尺寸值。采用非定常数值分析方法对进水池与模型泵联合计算域进行了计算，并就进水池流场对模型泵叶轮动态径向力的影响进行了研究，结果显示，受到进水池流场影响的叶轮动态径向力在零频和叶频附近出现了较为明显的峰值，其数值随着流量的降低而增大。
　　 6.在完成海水循环泵机组结构设计的基础上，基于理论分析和有限元分析法对循环泵转子部件支承结构动刚度、转子临界转速和整机可运行性进行了研究。结果显示，在低于一阶共振模态频率点时，转子支承动刚度值随着激励频率的增加而逐渐减小，并与泵体壁厚变化呈正比例线性关系。支承结构动刚度对于转子临界转速具有显著的影响，在考虑支承结构动刚度时，本文设计结构的转子一阶横向振动频率约为17.5Hz，能够满足设计要求。按照设计地震响应谱输入条件，根据泵机组整机模型响应谱分析结果显示，本文设计的海水循环泵结构能够满足设计地震载荷下的可运行性要求。