【摘要】：核主泵由于長期工作在高溫、高壓環(huán)境下,流體作用于葉輪上的軸向力高達(dá)上千牛頓,這將影響到核主泵的安全可靠運(yùn)行。在葉輪上開平衡孔并在后蓋板和泵體之間設(shè)置密封環(huán)能夠有效減小作用于葉輪上的軸向力。平衡孔將葉輪流道與后泵腔連通,該處的泄漏流體將在一定程度上對(duì)葉輪流道內(nèi)流體流動(dòng)進(jìn)行干擾,影響葉輪流場分布,進(jìn)而對(duì)核主泵性能造成一定影響。本文以一臺(tái)葉輪帶平衡孔并設(shè)有后密封間隙結(jié)構(gòu)的離心式核主泵為研究對(duì)象,采用定常和非定常數(shù)值模擬的方法,對(duì)核主泵內(nèi)部流動(dòng)及軸向力特征進(jìn)行了研究。首先,對(duì)核主泵進(jìn)行全流場定常數(shù)值模擬,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,額定工況下兩者誤差較小,說明本文采用的數(shù)值計(jì)算方法具有較高的可信度;定常數(shù)值模擬所得到的流場分布表明0.6Qopt時(shí)平衡孔及前密封環(huán)泄漏流體對(duì)葉輪入口及葉片入口局部區(qū)域流場的影響較明顯;對(duì)核主泵非定常數(shù)值模擬的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),核主泵內(nèi)壓力脈動(dòng)主要受動(dòng)靜干涉和葉輪轉(zhuǎn)頻的影響;通過改變?nèi)~輪平衡孔直徑,研究了不同直徑平衡孔對(duì)核主泵外特性曲線及對(duì)應(yīng)葉輪流道區(qū)域流場的影響,結(jié)果表明,隨著平衡孔直徑的增大,核主泵揚(yáng)程和效率均略微降低,軸功率幾乎無變化,泄漏流體對(duì)葉輪后蓋板側(cè)流體沖擊增大。其次,介紹了產(chǎn)生軸向力的主要原因和計(jì)算軸向力的方法,通過數(shù)值模擬的方法研究了0.8~1.2Qopt核主泵前后泵腔流體壓力分布規(guī)律。分析表明,前后泵腔內(nèi)壓力沿葉輪半徑增大方向均表現(xiàn)出增大趨勢;前泵腔內(nèi)流體流動(dòng)與葉輪出口流體流動(dòng)耦合性較強(qiáng),不同周向位置的流體壓力變化較大;后泵腔內(nèi)流體壓力分布較前泵腔均勻,按同心圓式壓力梯度分布。通過對(duì)前后泵腔內(nèi)徑向監(jiān)測點(diǎn)壓力數(shù)值進(jìn)行曲線擬合得到了0.8~1.2Qopt前后泵腔流體沿徑向的壓力分布函數(shù),并分別得出了前后泵腔流體作用于葉輪蓋板上的軸向力積分公式。最后,通過改變平衡孔和后密封間隙幾何參數(shù),分別研究了設(shè)計(jì)工況下平衡孔及間隙對(duì)核主泵后泵腔壓力分布及軸向力的影響。研究表明,間隙值及平衡孔直徑對(duì)后泵腔流體壓力分布和軸向力影響較大,間隙長度的影響較弱。隨著間隙值的增大,進(jìn)入后泵腔的流體壓力增大,流體作用于后蓋板上的軸向力增大,總軸向力增大,間隙b=0.3mm時(shí)的軸向力較b=1.0mm時(shí)軸向力減小了9.552k N;隨著間隙長度的增大,進(jìn)入后泵腔的流體壓力減小,作用于后蓋板上的軸向力減小,總軸向力減小,間隙長度l=26mm時(shí)的軸向力較l=18mm時(shí)的軸向力減小了1.256k N;隨著平衡孔直徑的增大,進(jìn)入后泵腔的流體壓力減小,后泵腔內(nèi)平衡孔附近區(qū)域流體壓力減小,流體作用于后蓋板上的軸向力減小,總軸向力減小,平衡孔直徑d=5mm時(shí)的軸向力較d=15mm時(shí)的軸向力增大了8.274k N。通過上述研究,分析了核主泵全流域流場分布特性及泵腔壓力分布規(guī)律,得到了平衡孔及后密封間隙對(duì)核主泵軸向力的影響機(jī)理,對(duì)于核主泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。
【圖文】：

核主泵內(nèi)部流動(dòng)及軸向力數(shù)值研究中，被廣泛使用的是壓水堆技術(shù)，圖 1.1 所示為壓水堆核島系系統(tǒng)中，作為能動(dòng)部件，各類泵機(jī)組起著十分關(guān)鍵的作用。如中用于驅(qū)動(dòng)冷卻劑循環(huán)運(yùn)動(dòng)的泵被稱為核主泵（簡稱主泵），一，也是一回路中唯一高速旋轉(zhuǎn)的能動(dòng)部件，其作用是通過對(duì)冷卻劑在反應(yīng)堆與蒸汽發(fā)生器之間循環(huán)流動(dòng)，，以此來將堆芯核量傳遞給二回路中蒸汽發(fā)生器，通過蒸汽發(fā)生器連續(xù)不斷的產(chǎn)推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)從而發(fā)電。核主泵能否正整個(gè)核島的安危，因此核主泵又有著核島心臟之稱[4-6]。

第 3 章 核主泵建模及其網(wǎng)格劃分泵的基本參數(shù)對(duì)象為一離心式核主泵，結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。該核主泵數(shù)為 5，葉輪前后均設(shè)有密封間隙，為了盡可能大的減后蓋板上的軸向力，葉輪后蓋板與熱屏之間設(shè)置了雙密隙幾何參數(shù)保持一致，單邊間隙為 0.3mm，間隙長度為置有直徑為 10mm 的平衡孔，共 5 個(gè)，均布于圓周方向表 3.2 分別列出了該核主泵設(shè)計(jì)參數(shù)和主要過流部件的統(tǒng)運(yùn)行的要求，該核主泵需在高低兩種轉(zhuǎn)速（2850r/min，本文研究內(nèi)容是基于該核主泵高轉(zhuǎn)速工況（2850r/min如未作特殊說明，均表示是在高轉(zhuǎn)速工況（2850r/min）
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM623.4

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2563442