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四代熔盐核主泵模型泵水力性能优化及试验

何相慧  
【摘要】:熔盐堆是第四代核反应堆的堆型之一,核反应堆冷却剂主循环泵(核主泵)作为一回路主系统中唯一高速旋转的设备,被喻为核电站的“心脏”。熔盐核主泵与一般的水泵不同,在设计时需要考虑高温熔盐的物理性质、水力要求以及运行工况,这给熔盐泵的设计提出了更高的要求。水力模型泵的设计和试验研究是进行熔盐泵真机研究的前提保障,因此本文对一台四代熔盐核主泵模型泵进行了数值模拟、试验和水力性能优化,以期为我国四代熔盐核主泵的设计提供技术积累。本文的主要研究工作和成果如下:1.总结了核电的发展趋势,以及离心泵的压力脉动、径向力、轴向力和振动噪声的研究现状。2.基于CFD对熔盐核主泵模型泵进行了全流场非定常数值计算,并对不同工况泵的外特性、内流场、径向力和压力脉动进行了分析。结果表明:计算的效率为73.22%,扬程为16.11m。导叶和环形蜗室的压力分布矢量为六角星状(导叶叶片数为6),且由5条(叶轮叶片数为5)基本重合的曲线组成,但其在四个象限中的分布不均匀;导叶不同流道内同一位置测点的压力脉动规律相同,越靠近导叶进口的测点波动越剧烈;环形蜗室关于导叶中心线对称的测点的压力脉动规律相同。3.试制熔盐核主泵模型泵,并对其进行外特性、汽蚀、压力脉动和振动噪声试验,试验结果表明:效率仅为71.47%;0.6Qd、0.8Qd和1.0Qd工况下泵的临界汽蚀余量分别为2.82m、3.46m和3.8m;靠近出口扩散段的测点压力脉动幅值较大;由于不稳定涡的原因,出口法兰处产生了以450Hz为中心的宽频振动;各个测点振动烈度的大小排列为:进出口法兰轴承两侧电机底座泵底座泵体,流体诱导振动受环形蜗室未倒角的影响,在实际流动时产生碰撞冲击,导致振动烈度上升,模型泵的振动等级为B级。4.为了提高模型泵的水力性能,对模型泵进行了水力性能优化,并进行数值计算分析,结果表明:方案二的计算效率最高,比原模型的提高了6.37个百分点;切削背叶片对模型泵的轴向力有一定的影响,设计工况下,原模型和方案二分别可以平衡89.47%和62.74%的轴向力;优化后,典型测点的压力脉动径向力波动情况都得到了改善,压力分布矢量分布更加均匀。5.对优化方案二进行试验验证,结果表明:优化模型的效率比原模型提高了5.26个百分点;优化后出口法兰处的宽频振动消失,且其他测点的谐频减少;受出口压力增大的影响,出口法兰的振动烈度比原模型大4%,但轴承两侧的振动烈度下降了14.2%和17.5%;经过环形蜗室出口扩散段倒角后,流体诱导振动减小,优化后泵的振动级别为A级,优化效果明显;优化后泵的临界汽蚀余量在0.6Qd、0.8Qd和1.0Qd分别比原模型下降了5.67%、6.64%和6.82%。


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