导叶结构对核主泵水力性能及压力脉动的影响研究

发布时间：2020-11-23 11:57

　　 核电以清洁、稳定和高效的优点在当今得到广泛开发和利用,核主泵作为整个核电中的核心设备,核主泵高效、长期安全稳定运行是核电发展的保障。本文以提高核主泵的水力性能为出发点,以一台离心式核主泵为研究对象,设计径向导叶、扭曲导叶、半高导叶、截短靠近蜗壳出口的径向导叶叶片和加厚径向导叶共5种方案的导叶结构,通过数值模拟对比分析不同方案核主泵水力模型的内部流动特性和压力脉动特性。首先对核主泵进行了不同流量工况下的三维定常数值模拟,得到了核主泵的外特性曲线和内部流动规律。结果发现整体上核主泵在设计工况下的流动状态最好,压力和速度分布均匀,流动中没有漩涡、回流等现象;在小流量工况下核主泵叶轮和导叶内存在漩涡阻塞流道,导叶出口流动分离严重,在环形压水室隔舌附近有冲击回流。其次,为提高核主泵的水力效率,设计不同结构的导叶,对比分析不同方案核主泵在高速工况n=2850r/min运行时的外特性和内部流场特性。结果发现带扭曲导叶的核主泵在设计工况点水力效率最高,表明扭曲导叶与流体的流动趋势吻合优良,降低了流体在导叶内的水力损失;截短靠近蜗壳出口的圆柱型叶片可减少蜗壳隔舌附近的冲击回流。加厚导叶对流体的控制加强,减少了漩涡等复杂流动,并防止流体在导叶出口发生扩散。湍动能强度较大的区域主要集中在叶轮出口和导叶入口的过渡区域和蜗壳隔舌附近。最后,为探讨导叶结构对核主泵压力脉动的影响,对比分析核主泵不同位置的压力脉动特性,结果表明:在低速工况n=1450r/min,截短靠近蜗壳出口圆柱型导叶叶片的核主泵水力效率最高,比原模型提高了1%,在高速工况n=2850r/min,带扭曲导叶核主泵的水力效率最高,比原模型提高了0.97%。带半高导叶的核主泵无论是在低速工况还是在高速工况,核主泵的水力效率均比原模型差,是因为半高导叶的叶片与前盖板之间的间隙存在漩涡等复杂流动,导叶出口有流动分离现象。叶轮和导叶内的压力脉动主要受叶轮旋转和叶轮叶片数控制,叶轮进口轮缘的压力脉动幅值较轮毂处大,叶轮和导叶之间的动静干涉效应是影响压力脉动的主要因素。扭曲导叶可降低叶轮出口、导叶和蜗壳内的脉动幅值,其效果最为明显,有利于核主泵长期安全稳定运行,截短靠近蜗壳出口的导叶叶片可降低导叶入口和出口的压力脉动幅值,加厚导叶有利于流体在蜗壳出口的稳定出流。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL353.12
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题的研究背景和意义
    1.2 核主泵研究现状概述
        1.2.1 核主泵设计优化研究
        1.2.2 核主泵非定常流动特性研究
        1.2.3 核主泵变转速运行特性研究
    1.3 本文主要研究内容概述
    1.4 课题名称及来源
第2章 湍流数值模拟方法及湍流模型
    2.1 湍流流动
    2.2 湍流控制方程
    2.3 湍流数值模拟方法
        2.3.1 直接数值模拟
        2.3.2 大涡模拟
        2.3.3 分离涡模拟
        2.3.4 雷诺时均模拟方法
    2.4 本章小结
第3章 核主泵内流特性的数值分析
    3.1 核主泵基本设计参数介绍
    3.2 水力部件设计简要介绍
        3.2.1 核主泵叶轮设计
        3.2.2 核主泵导叶设计
    3.3 核主泵计算域三维建模
    3.4 核主泵计算域网格划分
    3.5 核主泵内部定常流动特性数值分析
        3.5.1 数值模拟边界条件设置
        3.5.2 模型泵外特性数值模拟结果与实验结果对比分析
        3.5.3 模型泵内部中间截面流场特性分析
    3.6 本章小结
第4章 导叶结构对核主泵水力性能的影响
    4.1 不同导叶结构的模型泵方案介绍
    4.2 导叶结构对核主泵外特性的影响分析
    4.3 导叶结构对模型泵中间截面流动特性的影响分析
        4.3.1 导叶和蜗壳中间截面的静压分布特性
        4.3.2 导叶和蜗壳中间截面的流线分布特性
        4.3.3 导叶和蜗壳中间截面的湍动能分布特性
    4.4 导叶结构对模型泵子午面流动特性的影响分析
        4.4.1 导叶子午面静压分布特性
        4.4.2 导叶子午面流线分布特性
        4.4.3 导叶子午面湍动能分布特性
        4.4.4 蜗壳子午面静压分布特性
        4.4.5 蜗壳子午面流线分布特性
        4.4.6 蜗壳子午面湍动能分布
    4.5 本章小结
第5章 变转速工况下导叶结构对核主泵稳定性的影响
    5.1 变转速工况下不同方案的模型泵外特性数值模拟结果
    5.2 监测点布置及时间步选取
    5.3 核主泵在不同位置对压力脉动特性的影响分析
        5.3.1 叶轮内从进口到出口压力脉动特性
        5.3.2 导叶由进口到出口的压力脉动特性
    5.4 高速工况下导叶结构对模型泵压力脉动的影响分析
        5.4.1 导叶结构对叶轮进出口压力脉动的影响分析
        5.4.2 导叶结构对导叶不同位置压力脉动的影响分析
        5.4.3 导叶结构对蜗壳内不同位置压力脉动的影响分析
    5.5 不同转速下导叶结构对核主泵稳定性影响分析
        5.5.1 不同转速下导叶结构对叶轮出口压力脉动的影响分析
        5.5.2 不同转速下导叶结构对导叶入口压力脉动的影响分析
        5.5.3 不同转速下导叶结构对导叶出口压力脉动的影响分析
        5.5.4 不同转速下导叶结构对蜗壳内压力脉动的影响分析
    5.6 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 主要研究成果
    6.2 展望
参考文献
致谢
附录A 攻读学位期间公开发表的论文

【参考文献】

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本文编号：2894693