基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，近似用環(huán)形泵殼出口兩側(cè)的偏心內(nèi)壁區(qū)域的面積S1、S2以及與環(huán)形泵殼出口相對(duì)的內(nèi)壁的區(qū)域的面積為S3表示三處的壓力；使葉輪中心線偏離環(huán)形壓出室中心線的值Δ滿足0.9S3≤S2+S1≤1.1S3關(guān)系式。利用葉輪中心線與環(huán)形壓出室中心線偏心產(chǎn)生的壓差平衡消除由環(huán)形壓出室本身結(jié)構(gòu)引起的絕大部分徑向力，同時(shí)滿足多個(gè)工況點(diǎn)的運(yùn)行要求。
【專利說明】基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于核電用泵領(lǐng)域，尤其是基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì) 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 核電泵要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)可靠性和安全性要求極為嚴(yán)格。許多泵還要求在緊急情 況下可以保證安全停車。由于放射性液體的泄漏對(duì)環(huán)境和人身構(gòu)成潛在的威脅，要保證這 些泵沒有泄露或泄露在可控制的范圍之內(nèi)，在結(jié)構(gòu)上就必須保證核電用泵是整體的裝在一 個(gè)容器里，這樣也造成核電用泵成本高。
[0003] 核電用泵是核承壓設(shè)備，應(yīng)遵守美國(guó)ASME規(guī)范和法國(guó)RCC規(guī)范。按ASME規(guī)范核 設(shè)備分三個(gè)等級(jí)：
[0004] 核一級(jí)：它的損壞會(huì)導(dǎo)致一回路冷卻劑的漏失超過反應(yīng)堆正常補(bǔ)水能力，或會(huì)阻 礙反應(yīng)堆的順利停堆和冷卻。
[0005] 核二級(jí)：核一級(jí)以外的輸送反應(yīng)堆冷卻劑的承壓設(shè)備。
[0006] 核三級(jí)：其他重要安全設(shè)備，及其損壞不會(huì)引起直接放射性的后果的設(shè)備。
[0007] 現(xiàn)有核電站主要有兩大類：壓力反應(yīng)堆（PWR)電站和沸水反應(yīng)堆（BWR)電站。在 建的核電站大部分為PWR核電站。
[0008] PWR電站有兩個(gè)回路，一次回路是把水或其他液體壓入反應(yīng)堆，獲得由核裂變釋 放的核能，被加熱的高溫高壓的水或其他液體（典型一次回路在壓力15. 3-16. 3MPa下， 300-350°C水不氣化），然后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，把熱量交換給第二回路中的水，而后被主泵壓 入反應(yīng)堆重新被加熱；在第二回路中蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水被加熱成蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā) 電機(jī)發(fā)電，做功后的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻成水，再由給水泵送入蒸汽發(fā)生器，被加熱變成蒸 汽，以此循環(huán)。通常所說的核島是指發(fā)生蒸汽的部分，非核島是指蒸汽轉(zhuǎn)換為電能的部分， 非核島和火電站基本相同。
[0009] 核電用泵徑向力可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為是葉輪四周流場(chǎng)對(duì)葉輪所產(chǎn)生的徑向作用力。對(duì) 于環(huán)形壓水室，在零流量時(shí)，葉輪盡管有流體流入和排出，但是，全部流體在葉輪的作用下 在環(huán)形空間內(nèi)作強(qiáng)制渦旋運(yùn)動(dòng)。由于葉輪和環(huán)形泵體都是對(duì)稱的，這相當(dāng)于實(shí)心圓環(huán)在環(huán) 形空間內(nèi)做轉(zhuǎn)動(dòng)，忽略出口的影響，葉輪四周的壓力和流場(chǎng)都是對(duì)稱的，這是理論上環(huán)形泵 的徑向力為零。一旦產(chǎn)生流量，這種平衡便被破壞，這時(shí)環(huán)形流道內(nèi)的流量沿周向逐漸增 力口，在隔舌處部分流體重新進(jìn)入壓水室，壓水室壓力也沿周向逐漸下降，隨著流量的進(jìn)一步 增加并超過額定流量后，壓水室起始流道將出現(xiàn)所謂的倒流，直接流到泵的出口，而其余液 流仍然經(jīng)壓水室排出。但是，流道內(nèi)壓力變化趨勢(shì)卻有所不同，在流道的開始部分壓力逆倒 流方向上升，然后再沿流道逐漸下降。
[0010] 根據(jù)核電站系統(tǒng)要求，核電用泵有時(shí)要滿足三個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)，以達(dá)到使用要求。這 就需要在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)泵運(yùn)行條件下徑向力最小，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn) 行，延長(zhǎng)使用壽命。
[0011] 核電用泵大多采用環(huán)形壓出室，理想環(huán)形壓出室是對(duì)稱結(jié)構(gòu)無徑向力的，但是實(shí) 際壓出室有一個(gè)出口，使得實(shí)際流體在壓出室中徑向壓力不對(duì)稱產(chǎn)生徑向力。徑向力的方 向?yàn)閳?jiān)直向下，產(chǎn)生的徑向力會(huì)引起振動(dòng)噪聲，影響泵機(jī)組運(yùn)行的壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了消環(huán)形壓出室的徑向力，提高運(yùn)行壽命，本發(fā)明提供了一種基于徑向力核電 用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，利用葉輪中心線與環(huán)形壓出室中心線偏心產(chǎn)生的壓差平衡消 除由環(huán)形壓出室本身結(jié)構(gòu)引起的絕大部分徑向力，誤差不超過±10%。
[0013] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0014] 一種基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于，
[0015] 葉輪中心線向下偏離環(huán)形壓出室中心線設(shè)置，設(shè)偏心為A，利用偏心所形成的壓 力來平衡與出口相對(duì)位置處的徑向壓力；
[0016] 定義：環(huán)形泵殼出口兩側(cè)因葉輪偏心設(shè)置所導(dǎo)致的在開口兩側(cè)產(chǎn)生的徑向壓力區(qū) 域分別為偏心內(nèi)壁區(qū)域面積SpS2，與環(huán)形泵殼出口相對(duì)的內(nèi)壁的區(qū)域的面積為S3,SpS2兩 處的壓力在水平方向的分力相互抵消，合力的方向堅(jiān)直向上，用以平衡S3處的壓力；設(shè)：分 別用面積SpS2、S3近似表示三處區(qū)域的在堅(jiān)直方向上的受力；
[0017] 即 0? 9S3 彡SJS1 彡I.IS3 (1)
[0018] S3區(qū)域的堅(jiān)直向下的壓力為：
[0019] S3 = ? (R2-r2)X0/180。-2X1/2XA?r?sin(180。- 0-a) (2)
[0020]SpS2區(qū)域的堅(jiān)直向上的合力為：
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 葉輪中心線向下偏離環(huán)形壓出室中心線設(shè)置，設(shè)偏心為Λ，利用偏心所形成的壓力來 平衡與出口相對(duì)位置處的徑向壓力； 定義：環(huán)形泵殼出口兩側(cè)因葉輪偏心設(shè)置所導(dǎo)致的在開口兩側(cè)產(chǎn)生的徑向壓力區(qū)域分 別為偏心內(nèi)壁區(qū)域面積SpS2，與環(huán)形泵殼出口相對(duì)的內(nèi)壁的區(qū)域的面積為S3,SpS2兩處的 壓力在水平方向的分力相互抵消，合力的方向堅(jiān)直向上，用以平衡S3處的壓力；設(shè)：分別用 面積SpS2、S3近似表示三處區(qū)域的在堅(jiān)直方向上的受力； 即 0· 9S3 彡SJS1 彡I.IS3 (1) S3區(qū)域的堅(jiān)直向下的壓力為： S3= JI· (R2-!·2) X Θ/180。-2X1/2X Λ · r · sin(180。-Θ-a ) (2) SpS2區(qū)域的堅(jiān)直向上的合力為：
式中： R--環(huán)形壓出室內(nèi)徑；r-導(dǎo)葉外徑； Θ--環(huán)形壓出室出口所對(duì)應(yīng)的圓心角的一半； Δ--葉輪中心線偏離環(huán)形壓出室中心線的值； a、β、Y-中間變量，sina=sin0XA/r，siny=Δ/r，β=180。_2γ; 使所述偏心△滿足關(guān)系式a)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 選取從小到大的三個(gè)運(yùn)行工況點(diǎn)：（Q1,H1)、（Q2,H2)、（Q3,H3)，且以工況點(diǎn)（Q2,H2)為最 優(yōu)工況點(diǎn)； 最優(yōu)工況點(diǎn)（Q2,H2)下： S3區(qū)域的堅(jiān)直向下的壓力、SpS2區(qū)域的堅(jiān)直向上的合力分別為式（1)、式（2)，偏心Λ滿足式（1); 在非最優(yōu)工況下（Q1,H1)、（Q3,H3)工況條件下，葉輪的偏心分別為：
為了減少環(huán)形壓出室出口結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的缺少的部分引起的流動(dòng)紊亂所造成的損失，利用 葉輪中心線偏離環(huán)形壓出室中心線使得流道減小來與抵消流動(dòng)紊亂的損失，定義擴(kuò)散段出 口對(duì)應(yīng)的偏心區(qū)域的面積為S4，擴(kuò)散段進(jìn)口對(duì)應(yīng)的缺少部分面積S5 ;并近似用面積S4、S5 分別表示擴(kuò)散段出口對(duì)應(yīng)的偏心區(qū)域的壓強(qiáng)、擴(kuò)散段進(jìn)口對(duì)應(yīng)的泵殼面積處的壓強(qiáng)， 艮P:S4 =S5 (6) S4、S5兩處的壓強(qiáng)分別為： S4 = 2XΔXrXsinδ(7)
式中： R--環(huán)形壓出室內(nèi)徑；r-導(dǎo)葉外徑； Θ--環(huán)形壓出室出口所對(duì)應(yīng)的圓心角的一半； Δ--葉輪中心線偏離環(huán)形壓出室中心線的值； a、β、Y-中間變量，sina=sin0XA/r，siny=Δ/r，β=180。_2γ; δ-中間變量，SinS= ; T ζ=Dd - 2XL*tanV，其中：Ψ為擴(kuò)散角，取值范圍為Ψ = 8°?12° ;L為擴(kuò)散管 高度；Dd為排出口徑； 三個(gè)運(yùn)行工況（Q1,H1)、（Q2,H2)、（Q3,H3)條件下的葉輪中心線偏離環(huán)形泵殼的環(huán)形壓 出室中心線的值△'，應(yīng)滿足式（1)、（4)、（5)所確定的偏心的并集與式（6)所確定的偏心 的交集。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 所述擴(kuò)散角Ψ的取值范圍為8°?12°。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 排出口徑Dd=0.5H，其中Q為流量。 V3600
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設(shè)計(jì)方法，其特征在于， 擴(kuò)散管高度L= 0. 6Dd。
【文檔編號(hào)】F04D29/40GK104314870SQ201410441733
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】王秀禮, 尹庭赟, 袁壽其 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)