本發(fā)明涉及泵壓水室水力優(yōu)化設(shè)計領(lǐng)域，尤其是一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

核電是技術(shù)上已經(jīng)相對成熟，且能大規(guī)模開發(fā)并提供穩(wěn)定電力輸出的清潔能源。在核電站中，無論是一回路、二回路還是配套系統(tǒng)，泵都是很重要的設(shè)備。由于核電用泵的安全要求極其苛刻，其壓水室一般設(shè)計成環(huán)形，從而滿足耐高溫高壓要求。相對于螺旋型蝸殼，環(huán)形壓水室的水力效率較低。環(huán)形壓水室的主要作用是：一、安全保護(hù)，防止高溫高壓的冷卻劑從泵內(nèi)泄露；二、收集導(dǎo)葉中流出的工作介質(zhì)，并將動能轉(zhuǎn)化為壓能。因此，環(huán)形壓水室對核電用泵高效可靠的運(yùn)行至關(guān)重要。

經(jīng)檢索，申請?zhí)?01310749288.8的專利提出“一種核主泵泵體的設(shè)計方法”，將泵體流道各截面的過流面積和泵體出口面積控制在一定范圍內(nèi)，并與導(dǎo)葉出口面積滿足一定關(guān)系，達(dá)到減小流動損失，提高泵體的水力性的目的。該方法經(jīng)驗性較強(qiáng)，較難定量確定設(shè)計參數(shù)。

在一個系統(tǒng)中，由于存在不可逆的耗散效應(yīng)，損失的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為熱能(耗散熱)被工質(zhì)吸收，這種由耗散產(chǎn)生的熵增量就是熵產(chǎn)，為了達(dá)到定量分析和優(yōu)化的目的，本發(fā)明提出一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室優(yōu)化設(shè)計方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室優(yōu)化設(shè)計方法，從而找到水力損失大的位置，有效提升環(huán)形壓水室的水力效率，并采用類球型壓水室，保證運(yùn)行安全。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的：

一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室水力優(yōu)化設(shè)計方法，步驟A)根據(jù)核電用泵葉輪參數(shù)及性能要求，確定環(huán)形壓水室設(shè)計參數(shù)，其中葉輪參數(shù)為葉輪直徑D₂、葉輪出口寬度b₂；環(huán)形壓水室設(shè)計參數(shù)為：壓水室的基圓直徑D₅＝(1.4～2)D₂；進(jìn)口收縮角α＝(0,20]；出口段擴(kuò)散角β＝[5,30]；壓水室進(jìn)口寬度b₅＝[1.3,4]b₂；壓水室過流斷面直線段高度h＝[0.1,5]b₂；壓水室過流斷面高度H＝[1.5,7.5]b₂；；壓水室過流斷面高度H與壓水室過流斷面圓弧段半徑r之比H/r＝[0.02,1]；壓水室過流斷面面積S因滿足下列關(guān)系式：

$S=arcsin(b_5/2r)\·r^2-\sqrt{r^2-\frac{{b_2}^5}{4}}\·\frac{b_5}{2}+{\mathrm{hb}}_5;$

$S=\frac{Q}{v_3};$

其中，

b₂-葉輪出口寬度；

D₂-葉輪直徑；

S-壓水室過流斷面面積；

Q-核電用泵的設(shè)計流量；

H-核電用泵的設(shè)計揚(yáng)程；

v₃-壓水室過流斷面的平均速度；

k₃-速度系數(shù)；

r-壓水室過流斷面圓弧段半徑；

步驟B)采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法，對步驟A)確定的壓水室的設(shè)計范圍進(jìn)行設(shè)計，得到20-100組以上的壓水室設(shè)計方案；

步驟C)分別對步驟B)中20-100組的壓水室設(shè)計方案進(jìn)行三維建模，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ANSYS CFX對各方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并在CFX后處理中編寫熵產(chǎn)損失的計算公式，計算各個方案的熵產(chǎn)損失，并找到熵?fù)p失的位置，熵產(chǎn)損失的計算公式為：

$S_{EP}=\frac{\mathrm{\ρ}\mathrm{\ϵ}}{T}$

P＝∫_VTS_EPdV

S_EP-計算節(jié)點(diǎn)的湍流耗散產(chǎn)生的熵產(chǎn)損失；

ρ-計算節(jié)點(diǎn)的工作介質(zhì)的密度；

ε-湍動能耗散率；

T-計算節(jié)點(diǎn)的溫度；

P-整個積分域的熵產(chǎn)損失；

V-被積空間；

步驟D)采用切比雪夫正交多項式模型，建立步驟A)中壓水室的設(shè)計參數(shù)與步驟C)中熵產(chǎn)損失的函數(shù)關(guān)系的近似模型；

步驟E)應(yīng)用梯度優(yōu)化算法求解步驟D)建立的近似模型，使得熵產(chǎn)損失最小，從而得到優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)。

進(jìn)一步的，選定步驟A)中泵的流量為Q＝21642m³/h，揚(yáng)程H＝111.3m，葉輪出口寬度b₂＝200mm，葉輪出口直徑D₂＝800mm；壓水室設(shè)計參數(shù)的設(shè)計范圍為：壓水室基圓直徑D₅[1120mm,1600mm]、進(jìn)口段收縮角α[0°,20°]、出口段擴(kuò)散角β[5°,30°]、壓水室進(jìn)口寬度b₅[260mm,800mm]、壓水室過流斷面直線段高度h＝373mm，壓水室過流斷面高度H＝600mm，壓水室過流斷面圓弧段半徑r＝830mm。

進(jìn)一步的，壓水室基圓直徑D₅＝1320mm、進(jìn)口段收縮角α＝10°、出口段擴(kuò)散角β＝15°、壓水室進(jìn)口寬度b₅＝350mm、壓水室過流斷面直線段高度h＝373mm、壓水室過流斷面高度H＝600mm、壓水室過流斷面圓弧段半徑r＝830mm。

有益效果：

1.一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室優(yōu)化設(shè)計方法，從而找到水力損失大的位置，有效提升環(huán)形壓水室的水力效率，并采用類球型壓水室，保證運(yùn)行安全。

2.通過建立各個設(shè)計參數(shù)與熵產(chǎn)分析的函數(shù)關(guān)系，并采用優(yōu)化算法求解該函數(shù)，以降低熵產(chǎn)為優(yōu)化目標(biāo)，從而得到最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。

附圖說明

圖1為核電用泵環(huán)形壓水室截面示意圖；

圖2為核電用泵環(huán)形壓水室過流斷面示意圖；

圖3為一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形蝸殼優(yōu)化設(shè)計方法流程圖。

附圖標(biāo)記如下：

1-壓水室基圓直徑；2-進(jìn)口收縮角；3-出口段擴(kuò)散角；4-壓水室進(jìn)口寬度；5-壓水室過流斷面直線段高度；6-壓水室過流斷面高度；7-壓水室過流斷面圓弧段半徑。

具體實(shí)施方式

為對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，現(xiàn)結(jié)合附圖說明如下：

結(jié)合附圖1、2和3，一種基于熵產(chǎn)分析的核電用泵環(huán)形壓水室水力優(yōu)化設(shè)計方法，步驟A)根據(jù)核電用泵葉輪參數(shù)及性能要求，確定環(huán)形壓水室設(shè)計參數(shù)，其中葉輪參數(shù)為葉輪直徑D₂、葉輪出口寬度b₂；環(huán)形壓水室設(shè)計參數(shù)為：壓水室的基圓直徑1為D₅＝(1.4～2)D₂；進(jìn)口收縮角2為α＝(0,20]；出口段擴(kuò)散角3為β＝[5,30]；壓水室進(jìn)口寬度4為b₅＝[1.3,4]b₂；壓水室過流斷面直線段高度5為h＝[0.1,5]b₂；壓水室過流斷面高度6為H＝[1.5,7.5]b₂；壓水室過流斷面高度6為H與壓水室過流斷面圓弧段半徑7為r的比H/r＝[0.02,1]；壓水室過流斷面面積S因滿足下列關(guān)系式：

$S=arcsin(b_5/2r)\·r^2-\sqrt{r^2-\frac{{b_2}^5}{4}}\·\frac{b_5}{2}+{\mathrm{hb}}_5;$

$S=\frac{Q}{v_3};$

其中，

b₂-葉輪出口寬度；

D₂-葉輪直徑；

S-壓水室過流斷面面積；

Q-核電用泵的設(shè)計流量；

H-核電用泵的設(shè)計揚(yáng)程；

v₃-壓水室過流斷面的平均速度；

k₃-速度系數(shù)，依據(jù)關(guān)醒凡著《現(xiàn)代泵理論與設(shè)計》查詢；

r-壓水室過流斷面圓弧段半徑；

將核電用泵的壓水室過流斷面設(shè)計為相等，使得壓水室接近于球形，有利于結(jié)構(gòu)對稱受力，從而保證安全性能；

步驟B)采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法，對步驟A)確定的壓水室的設(shè)計范圍進(jìn)行設(shè)計，得到20-100組以上的壓水室設(shè)計方案；

步驟C)分別對步驟B)中20-100組的壓水室設(shè)計方案進(jìn)行三維建模，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ANSYS CFX對各方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并在CFX后處理中編寫熵產(chǎn)損失的計算公式，計算各個方案的熵產(chǎn)損失，并找到熵?fù)p失的位置，熵產(chǎn)損失的計算公式為：

$S_{EP}=\frac{\mathrm{\ρ}\mathrm{\ϵ}}{T}$

P＝∫_VTS_EPdV

SEP-計算節(jié)點(diǎn)的湍流耗散產(chǎn)生的熵產(chǎn)損失；

ρ-計算節(jié)點(diǎn)的工作介質(zhì)的密度；

ε-湍動能耗散率；

T-計算節(jié)點(diǎn)的溫度；

P-整個積分域的熵產(chǎn)損失；

V-被積空間；

步驟D)采用切比雪夫正交多項式模型，建立壓水室的設(shè)計參數(shù)與熵產(chǎn)損失的函數(shù)關(guān)系的近似模型；

步驟E)應(yīng)用梯度優(yōu)化算法求解步驟D)建立的近似模型，使得熵產(chǎn)損失最小，從而得到優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)。

其中，選定步驟A)中泵的流量為Q＝21642m³/h，揚(yáng)程H＝111.3m，葉輪出口寬度b₂＝200mm，葉輪出口直徑D₂＝800mm；壓水室設(shè)計參數(shù)的設(shè)計范圍為：壓水室基圓直徑1D₅[1120mm,1600mm]、進(jìn)口段收縮角2為α[0°,20°]、出口段擴(kuò)散角3為β[5°,30°]、壓水室進(jìn)口寬度4為b₅[260mm,800mm]、壓水室過流斷面直線段高度5為h＝373mm，壓水室過流斷面高度6為H＝600mm，壓水室過流斷面圓弧段半徑7為r＝830mm。

壓水室基圓直徑1為D₅＝1320mm、進(jìn)口段收縮角2為α＝10°、出口段擴(kuò)散角3為β＝15°、壓水室進(jìn)口寬度4為b₅＝350mm、壓水室過流斷面直線段高度5為h＝373mm、壓水室過流斷面高度6為H＝600mm、壓水室過流斷面圓弧段半徑7為r＝830mm。

實(shí)施例：以某型核電用泵為例，泵的流量為Q＝21642m³/h，揚(yáng)程H＝111.3m，葉輪出口寬度b₂＝200mm，葉輪出口直徑D₂＝800mm。本實(shí)施案例只選取壓水室基圓直徑1為D₅、進(jìn)口段收縮角2為α、出口段擴(kuò)散角3為β、壓水室進(jìn)口寬度4為b₅作為設(shè)計變量，其設(shè)計范圍分別為[1120mm,1600mm]、[0°,20°]、[5°,30°]、[260mm,800mm]，壓水室過流斷面直線段高度5為h＝373mm，壓水室過流斷面高度6為H＝600mm，壓水室過流斷面圓弧段半徑7為r＝830mm。采用最優(yōu)拉丁超立方試驗設(shè)計方法，設(shè)計了以下20組方案，如下表所示。

表1

對各個核電環(huán)形壓水室方案進(jìn)行三維建模，與葉輪、導(dǎo)葉相匹配，并劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ANSYS CFX對各方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并在CFX后處理中，引入熵產(chǎn)公式，計算各個方案的熵產(chǎn)損失，如表1所示，采用切比雪夫正交多項式模型建立設(shè)計參數(shù)與熵產(chǎn)損失的近似模型，并用梯度優(yōu)化算法進(jìn)行求解，其熵產(chǎn)損失為340365W，求得最佳的設(shè)計參數(shù)為壓水室基圓直徑1為D₅＝1320mm、進(jìn)口段收縮角2為α＝10°、出口段擴(kuò)散角3為β＝15°、壓水室進(jìn)口寬度4為b₅＝350mm。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。