1000 MW核主泵水力计算与压力脉动分析

本文以1000 MW核电轴流式核主泵为研究对象,首先对稳态条件下核主泵全流道流场进行计算,通过与试验值进行对比,验证了CFD数值计算准确性和精度。同时为了掌握核主泵全流道压力脉动特性,以稳态计算结果为初始条件,对核主泵非稳态数值计算,在计算中轴流泵设置了15个压力脉动监测点。计算结果表明:泵壳进口区域压力脉动为规则正弦波,主要频率为叶频;叶轮和导叶相互作用影响,压力脉动变化较复杂,脉动频率成分较多且脉动幅值较大;泵壳出口区域总体脉动较弱。     

导叶周向布置位置对核主泵压力脉动的影响

基于RNG k-ε湍流模型和滑移网格模型,对核主泵导叶在不同周向位置缩比模型的内部流动进行全三维非定常数值计算。研究导叶周向布置位置对叶轮出口、叶轮-导叶间隙处以及泵壳内压力脉动的影响规律,并分析导叶周向位置对导叶下游流动的影响,结果表明:导叶周向位置对模型泵内压力分布影响较大,在时域图中,导叶位置主要影响模型泵内压力脉动的波动幅度,导叶在α=0?时压力脉动的主波动幅度最小;在频域图中,导叶位置主要影响压力脉动能量幅值,导叶在α=0?时脉动能量幅值最小。叶轮出口的压力脉动能量幅值最大,泵壳内的能量幅值最小,压力脉动主要由动、静叶间的相互干涉引起。叶轮出口、叶轮-导叶间隙处的压力脉动频率主要受叶频影响,泵壳内的压力脉动频率仅与转频有关。导叶周向位置对导叶下游的内部流动影响较大,导叶在α=0?时截面B—B内的压力分布均匀、压力梯度小。合适的导叶周向位置可有效改善泵内的压力脉动分布,进而降低泵的振动。     

高速离心泵的压力脉动特性分析

为揭示高速离心泵的水力不稳定性,采用雷诺时均方法和SST k-ω湍流模型,对一带前置诱导轮和半开式复合叶轮的高速泵进行了不同工况下三维非定常湍流数值模拟,得到了泵内部流场特性及泵内监测点的压力脉动情况,并对其进行了频谱分析。结果表明,由于诱导轮、叶轮与扩压器的动静耦合作用,高速泵内存在比较明显的压力脉动。叶轮域从叶片入口到出口,压力脉动的峰峰值逐渐增加;相同径向位置处工作面的压力脉动明显高于非工作面。叶轮内压力脉动的频率为3fr(导叶叶片数×叶片通过频率)及其倍频,主频为3fr。导叶扩压器域内隔舌位置处的压力脉动峰峰值最大。随着水流向下游流动,扩压器内的压力脉动逐渐减小。螺旋线部分压力脉动的主频为3fr,与诱导轮叶片的通过频率相吻合。扩散段部分压力脉动的主频为7fr,与叶轮长叶片的通过频率吻合。     

基于DES的离心泵内部瞬态流动数值研究

为了阐明变工况运行条件下离心泵内部瞬态流动特性,评价其瞬态水力性能及其压力脉动特性,提高离心泵的运行稳定性,基于DES分离涡模型,在小流量、额定流量和大流量工况下对泵进行了性能预测和数值模拟。与试验结果比较发现,性能预测结果和试验结果吻合较好,额定工况下泵内部流动参数梯度变化均匀。在此基础上,在泵内部设置p1～p9压力脉动监测点,通过对监测点的压力脉动时频分析,表明进口流道p1压力脉动频率与叶频的倍频保持一致,以低频脉动为主;受隔舌结构影响,出口流道p6压力脉动频率的脉动幅值较大,以高频脉动为主。比较叶轮旋转第1～第6圈静压分布和涡量分布规律,第3圈后叶轮内部流动趋于稳定,第6圈后蜗壳内部流动达到稳定,表明离心泵叶轮和蜗壳内部涡团的演化过程非同步。     

小破口失水工况下屏蔽泵轴系动力学分析

以屏蔽式核主泵的主要设计参数为依据,在对屏蔽式核主泵合理简化的基础上进行水力设计与三维模型建立。采用计算流体力学软件(CFX)对正常工况下、进口段小破口失水工况下和出口段小破口失水工况下的屏蔽式核主泵流场进行数值分析,计算叶轮受力与变形。将叶轮受力作为屏蔽式核主泵谐响应分析的输入载荷,分析屏蔽式核主泵轴系的振动情况。计算结果表明:由于进口段破口导致冷却剂流失,叶轮受力、核主泵轴系振幅大幅减小;出口段破口导致核主泵流量短时间内增加,致使叶轮受力略有增加,核主泵轴系振幅最大值仅有小幅增大。     

含气率对主泵水力性能和水力载荷影响的数值分析

通过采用全空化模型及标准κ-ε湍流模型,对入口含气率(气体体积分数)为0.10%～9.70%范围内的主泵运行状态进行数值模拟,分析了主泵水力性能、水力径向力和轴向力以及水力载荷频谱等数据,获得了气体体积分数对主泵水力性能及水力激振载荷影响的特征。结果表明:随着气体体积分数增大,主泵扬程下降,叶轮背面首先发生积气;在不发生空化的前提下,扬程与气体体积分数直接相关,与介质温度和压力无明显关系;施加在泵壳和叶轮的水力载荷力的波动幅值随着气体体积分数的增大而减小。     

混流式核主泵流场数值分析与试验研究

本文根据某核电站主冷却剂泵的水力优化设计,研究了在改变叶轮叶片进口安放角减小10°的条件下进行数值仿真分析。主要在参考泵叶轮基础上进行了叶片结构改进,并就新的叶片结构进行了数值分析,相应的性能参数值比要求值均有了一定的裕度。其中,数值效率和对应的扬程比参考泵叶轮分别提高了0.6%和22%。针对主泵水力部件模型,对改进设计后的水力部件按照相应的标准分别进行了水力模型的效率试验、空化试验以及压力脉动试验,同时按照试验结果换算出了目标主泵的水力性能。     

核主泵叶轮根部圆角大小对叶轮的振动、强度及刚度的影响

为了研究核主泵叶轮根部圆角大小对叶轮的振动、强度及刚度的影响,进而为离心泵的水力优化设计提供理论参考,应用有限元软件进行数值模拟,运用绘图软件CATIA对主泵叶轮进行建模,应用有限元分析软件ANSYS Workbench对核主泵叶轮进行自适应网格划分,并在运行工况载荷下对不同根部圆角大小的叶轮进行位移形变以及应力应变分析,结果表明,适当增大叶轮根部圆角,可以减小叶轮的振动,增大叶轮的强度和刚度,从而为离心泵的水力优化设计提供理论参考。     

离心泵流动诱导噪声的数值预测

通过计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)结合声振耦合求解方法针对一离心泵所产生的流动诱导噪声在泵壳外部的辐射情况进行数值预测。蜗壳内壁面上的非定常压力脉动监测值显示出蜗舌附近区域的脉动幅值较大,而在远离蜗舌位置处的脉动相对变化较小,在叶片扫掠频率及其谐频下的压力脉动要明显高于其他频率。通过声振耦合计算之后得到的泵壳外部声场辐射结果来看,当斯特劳哈尔数Sr=4时,由于该处所对应的压力脉动频率与泵壳结构的第四阶固有频率接近,可能会在声场与结构之间发生小幅共振,进而使得外场辐射噪声较大,也说明泵壳结构的振动模态对声场计算结果影响十分显著。通过外场监测点上叠加后的总声压级结果显示,各点基本上在60 dB上下波动,外场噪声辐射是泵内流体的压力脉动与壳体结构模态综合作用的结果。     

流体激振力对高速泵转子振动特性的影响研究

对高速泵三维流场进行了非定常计算,分析了高速泵内的压力分布情况。研究了高速泵叶轮上的稳态径向力和脉动径向力,分析了流体激振力对高速泵叶轮系统的振动及其轴心轨迹的影响。计算结果表明:泵内部流场的压力分布合理,稳态作用力的计算符合实际数据;瞬态作用力与叶轮和隔舌的干涉流动有很大关系;在脉动激振力作用下,泵转子振动响应谱图中出现了脉动激振力的频率及其谐波频率。     

非均布导叶对核主泵模型泵性能及压力脉动的影响

为研究核主泵模型泵导叶非均布对于其外特性及压力脉动影响,分别采用SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型和分离涡模拟方法对泵内部流场进行了三维定常和非定常数值模拟,得到两模型泵外特性曲线和内部压力脉动情况,并对压力脉动进行时域频域分析。结果表明:采用特定形式的非均布导叶可以改善出口流动,提升模型泵多工况性能;导叶非均布对于泵内不同区域压力脉动影响不同,但其改变了由动静干涉产生的脉动频率分布,削弱了脉动幅值,有助于降低泵的振动和噪声,提高核主泵的安全性。     

离心叶轮流场对背压脉动的响应特性研究

本文首先采用数值模拟方法开展高速离心压缩机叶轮出口下游背压脉动的流场响应特性研究，分析指出高转速离心叶轮的气动性能波动随着背压脉动频率的增加而增大，但不同背压脉动频率下各时刻的流场分布具有相似结构。然后采用动态模态分解（DMD）方法对背压脉动下非定常流动的模态场进行分析，不同脉动频率下的非定常流场均包含叶轮转频的各阶谐波模态，流场响应的零阶模态为反映平均流场的基本模态，各阶谐波模态均为极限环模态，其它均为近似极限环振荡或衰减模态，流场响应的非定常成分主要由一阶谐波模态贡献。DMD分析结果表明：DMD方法能够对叶轮非定常流场变化特性进行降阶解构及准确预测。     

叶片圆盘泵叶轮结构流固耦合模态特性分析

为探究流体压力、离心力对叶片圆盘泵叶轮结构模态特性的影响,采用Fluent软件计算泵叶轮不同工况下流体压力大小及分布情况,借助Workbench平台进行叶轮结构的静态模态以及流体压力和旋转离心力作用下的模态特性分析,并对结果进行对比分析。同时,探讨了连接臂半径及位置对叶轮固有频率的影响。结果表明:叶轮的静态模态与预应力模态各阶振型基本相似,固有频率及振幅差异也不大;随着连接臂半径的增大,泵叶轮固有频率逐渐增大;随着连接臂与圆盘盖板中心之间距离变大,叶轮前三阶固有频率逐渐变小,总体上差别不大,三阶及以后各阶固有频率逐渐变大。     

叶片圆盘泵叶轮结构流固耦合模态特性分析

为探究流体压力、离心力对叶片圆盘泵叶轮结构模态特性的影响,采用Fluent软件计算泵叶轮不同工况下流体压力大小及分布情况,借助Workbench平台进行叶轮结构的静态模态以及流体压力和旋转离心力作用下的模态特性分析,并对结果进行对比分析。同时,探讨了连接臂半径及位置对叶轮固有频率的影响。结果表明:叶轮的静态模态与预应力模态各阶振型基本相似,固有频率及振幅差异也不大;随着连接臂半径的增大,泵叶轮固有频率逐渐增大;随着连接臂与圆盘盖板中心之间距离变大,叶轮前三阶固有频率逐渐变小,总体上差别不大,三阶及以后各阶固有频率逐渐变大。     

CAP1400屏蔽电机主泵高效水力模型研发

大型三代先进压水堆核电站最后一个难度最大的重大装备CAP1400大功率屏蔽电机主泵正在国产化研制,关键水力部件叶轮和导叶的水力设计是核主泵科学研究中的一项重点也是难点。基于前期相关研究基础,研发设计比转速约105的混流式缩尺(1∶2.5)高效水力模型,探讨模型建立、参数化水力设计、CFD数值计算与水力性能优化、模型试验与性能分析;针对最优效率点和流动损失进行探讨,给出多重约束下高效叶轮和导叶设计建议。模型试验得到水力模型设计点效率为84.92%、性能曲线变化平缓、运行范围内效率高、且汽蚀性能良好;换算到真机工况效率达到88.3%。该水力模型成为重大专项CAP1400屏蔽电机主泵水力部件采纳的设计方案之一,为后续核主泵水力部件的高性能设计、工程应用提供重要借鉴和原始技术积累。     

错列导叶对反应堆冷却剂泵水力性能的影响

本文采用数值模拟对交错形式的导叶叶片对于三代核电站反应堆冷却剂泵性能的影响进行研究。通过数值模拟和试验结果的比较验证了数值模拟的有效性。数值研究获得了不同交错叶片导叶方案下核主泵性能的变化。得到了水力性能曲线,轴向力曲线和压力脉动频谱图。数值结果表明:在额定流量下交错叶片稍微减少了水力效率,但对扬程、轴向力和功率几乎没有影响。交错叶片导叶有利于压力脉动,降低了水力部件内部压力脉动的振幅幅值,交错角3/4的方案是一个比较好的选择。     

叶片厚度对混流式核主泵叶轮能量性能影响研究

基于三维不可压缩流体N-S方程和RNGκ-ε湍流模型,对混流式核主泵叶轮水力模型的能量性能进行了数值预测,研究了不同叶片厚度及其分布规律对混流叶轮模型水力性能的影响。通过分析叶轮叶片压力面、吸力面的静压分布,获得叶片表面的载荷分布及其变化规律。结果表明:随着叶轮叶片厚度减薄,最高效率值有所增大且高效点向大流量工况偏移;当叶片最厚处位置在靠近进口边约1/3处时,叶轮水力效率值最大;随着叶片最厚位置由进口向出口移动时,最高效率点向大流量工况偏移。     

球形压水室扩散管位置对核主泵性能的影响

根据AP1000核主泵设计参数,利用泵一维设计理论,设计了核主泵的叶轮,导叶和球形泵壳。应用Pro-e软件进行了三维造型及装配;利用CFD软件Fluent进行了数值模拟运算。分析了压水室扩散管位置对核主泵性能的影响,得到了核主泵内的总压分布;静压分布;速度矢量分布和流线图。数值模拟结果清楚的反映了核主泵内部流场的特点。     

核主泵叶轮与导叶叶片数匹配规律的数值优化

为了阐明核主泵叶轮和导叶叶片数匹配特性对水力性能的影响。以缩比系数为0.5的模型泵为研究对象,基于核主泵几何参数,建立叶轮叶片数Z1和导叶叶片数Z2的多种匹配方案,通过数值方法预测多种匹配方案下核主泵设计工况下的水力性能。结果分析表明:只改变叶轮叶片数时,随着叶轮叶片数的增加,叶轮与泵扬程的增加趋势逐渐变缓;只改变导叶叶片数时,导叶叶片数的选取对核主泵效率影响的最大差值为8.48%。导叶和压水室内漩涡区和水力损失主要集中在以泵出口为起点沿叶轮旋转方向的半球形区域,且环形压水室的水力损失在总损失中所占比重最小为36.4%,表明环形压水室是核主泵水力损失最大的过流部件。根据多种叶片数匹配方案的结果分析,表明设计工况下核主泵叶轮与导叶叶片数的最佳匹配值为(Z_1=4,Z_2=9)、(Z_1=5,Z_2=12)、(Z_1=6,Z_2=11)和(Z_1=3,Z_2=7),即导叶叶片数在叶轮叶片数的2倍附近且两者互质时,泵的水力性能达到最佳值。研究结果为核主泵叶轮和导叶叶片数的选取提供了理论依据。     

错列导叶对CAP1400核主泵水力性能的影响

本文采用数值模拟对交错形式的导叶叶片对于大功率屏蔽电机主泵性能的影响进行研究。通过数值模拟和试验结果的比较验证了数值模拟的有效性。数值研究获得了不同交错叶片导叶方案下大功率屏蔽电机主泵性能的变化。得到了水力性能曲线,轴向力曲线和压力脉动频谱图。数值结果表明交错叶片导叶对大功率屏蔽电机主泵性能的影响：在额定流量下交错叶片稍微减少了水力效率,但对扬程,轴向力和功率几乎没有影响。交错叶片导叶有利于压力脉动;交错叶片导叶降低了水力部件内部压力脉动的振幅幅值。交错角3/4的方案是一个比较好的选择。