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轴流核主泵内部非定常流动特性与水力激振抑制研究

陈鑫  
【摘要】:核主泵是压水堆核电站的关键设备,其运行可靠性直接关系到核电站的安全。泵内非定常流动及其导致的水力激振问题,对于可靠性要求极高的核主泵尤为关切。研究核主泵内部非定常流动机理,进而提出水力激振抑制方法,对提高核主泵运行稳定性和可靠性具有重要价值。本文针对与“华龙一号”主泵具有相同水力结构形式的轴流核主泵,研究和验证了非定常流动的数值模拟方法,提出了两种用于表征动静干涉作用的流场特征参数,系统研究了主泵内部的非定常流动、动静干涉和激振力特性,以及静止过流部件与叶轮结构对非定常流动和动静干涉作用的影响,提出了优化非定常流动和抑制水力激振的策略与方法。本文主要内容包括以下几个方面:(1)研究了轴流核主泵内部流场数值模拟方法,采用主泵模型试验对数值模拟结果进行了验证分析。通过不同湍流模型、不同边界条件组合模拟结果的比较分析,优选和验证了定常和非定常数值模拟的建模与计算方法。结果表明:采用Realizable k-ε模型的定常模拟结果与试验测试结果高度吻合;而采用合理和符合试验情况的“压入-流出”边界条件组合的非定常模拟方法在主泵进、出口与动静干涉相关的叶频压力脉动预测上具有更高的精度。(2)提出了两种描述轴流核主泵内部非定常流场的特征参数——叶轮两端的局部欧拉扬程脉动量和叶轮旋转坐标系内的流动变量脉动量,分别用于流场动静干涉问题中转子(叶轮)对静止系统扰动作用和静子(静止过流部件)对叶轮区域反作用的分析,给出了两种参数的定义和提取方法。(3)研究了轴流核主泵内部非定常流动以及激振力特性,采用本文提出的叶轮两端的局部欧拉扬程脉动量和叶轮旋转坐标系内的流动变量脉动量分析了泵内动静干涉机理,提出了优化非定常流动和抑制水力激振的策略。结果表明:核主泵的动静干涉是内部非定常流动和水力激振最主要的激励源头;动静干涉普遍存在于转动的叶轮和于叶轮上、下游引起周向不均匀流动形态的静止过流结构之间;主泵动、静坐标系下的流场周向均匀性均对其动静干涉有着重要影响;提高主泵动、静过流部件流场和能量分布的周向均匀性,可有效减小动静干涉作用,降低流动的非定常脉动,进而抑制水力激振。(4)针对主泵的静止水力部件,研究了其对非定常流动结构的影响,提出了相应的水力激振抑制改进方法。结果表明:主泵进、出口的过流结构对其激振力有显著影响;主泵叶轮径向流体力脉动在入口无弯管条件下显著降低,而双对侧出口泵壳对水力激励亦有抑制效果。对于含入口弯管的结构,增大其与泵体叶轮间距离可有效抑制入口周向不均匀流动的不利影响;在入口弯管与叶轮间距离增大至2.4倍入口管径以上时,主泵叶轮径向流体力脉动显著降低。叶轮与导叶叶片数匹配对激振力有较大影响;适当增加导叶叶片数有利于降低主泵叶轮径向流体力脉动、抑制水力激振。(5)针对主泵的叶轮,分别从叶片积叠方式和子午面形状的优化出发,提出了水力激振抑制的设计方法。结果表明:叶轮叶片尾缘与导叶叶片前缘相倾斜的叶片积叠方式,使叶轮与导叶之间的动静干涉作用显著减弱,水力激振力明显降低;且叶轮叶片尾缘与导叶叶片前缘的轴向轮廓夹角愈大,叶轮径向流体力脉动愈低。通过缩进叶轮子午面叶片前缘和尾缘型线并适当减小叶片包角,叶轮与上、下游静系周向不均匀流场的动静干涉作用趋于减弱,叶轮径向流体力脉动亦随之降低。本文为研究轴流核主泵内部非定常流动和水力激励机理,建立了叶轮旋转坐标系内动监测点非定常流动变量监测和提取的方法,并提出了局部欧拉扬程脉动量用以表征叶轮周围复杂非定常流动特性。基于所提取的叶轮两端的局部欧拉扬程脉动量和叶轮旋转坐标系内的压力脉动量两种流场特征参数,分别从转子(叶轮)对静止系统的扰动作用和静子(静止过流部件)对叶轮区域的反作用两个方面对轴流核主泵的动静干涉问题进行了分析。在此基础上,分别针对轴流核主泵的静止水力部件结构和叶轮水力结构,提出了基于动、静系流场周向均匀性改善原则的水力激振抑制方法。本文相关非定常流动研究方法、动静干涉机理和水力激振抑制手段,对于核主泵、轴流泵以及其它结构形式相近水泵的振动控制具有参考价值。


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