基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，近似用環(huán)形泵殼出口兩側的偏心內壁區(qū)域的面積S1、S2以及與環(huán)形泵殼出口相對的內壁的區(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關系式。利用葉輪中心線與環(huán)形壓出室中心線偏心產生的壓差平衡消除由環(huán)形壓出室本身結構引起的絕大部分徑向力，同時滿足多個工況點的運行要求。
【專利說明】基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于核電用泵領域，尤其是基于徑向力多工況核電用泵環(huán)形泵殼水力設計 方法。

【背景技術】
[0002] 核電泵要求連續(xù)運轉，對可靠性和安全性要求極為嚴格。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環(huán)境和人身構成潛在的威脅，要保證這 些泵沒有泄露或泄露在可控制的范圍之內，在結構上就必須保證核電用泵是整體的裝在一 個容器里，這樣也造成核電用泵成本高。
[0003] 核電用泵是核承壓設備，應遵守美國ASME規(guī)范和法國RCC規(guī)范。按ASME規(guī)范核 設備分三個等級：
[0004] 核一級：它的損壞會導致一回路冷卻劑的漏失超過反應堆正常補水能力，或會阻 礙反應堆的順利停堆和冷卻。
[0005] 核二級：核一級以外的輸送反應堆冷卻劑的承壓設備。
[0006] 核三級：其他重要安全設備，及其損壞不會引起直接放射性的后果的設備。
[0007] 現(xiàn)有核電站主要有兩大類：壓力反應堆（PWR)電站和沸水反應堆（BWR)電站。在 建的核電站大部分為PWR核電站。
[0008] PWR電站有兩個回路，一次回路是把水或其他液體壓入反應堆，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 入反應堆重新被加熱；在第二回路中蒸汽發(fā)生器內的水被加熱成蒸汽，進入汽輪機，帶動發(fā) 電機發(fā)電，做功后的蒸汽進入冷凝器冷卻成水，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單地認為是葉輪四周流場對葉輪所產生的徑向作用力。對 于環(huán)形壓水室，在零流量時，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)形空間內作強制渦旋運動。由于葉輪和環(huán)形泵體都是對稱的，這相當于實心圓環(huán)在環(huán) 形空間內做轉動，忽略出口的影響，葉輪四周的壓力和流場都是對稱的，這是理論上環(huán)形泵 的徑向力為零。一旦產生流量，這種平衡便被破壞，這時環(huán)形流道內的流量沿周向逐漸增 力口，在隔舌處部分流體重新進入壓水室，壓水室壓力也沿周向逐漸下降，隨著流量的進一步 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 流仍然經壓水室排出。但是，流道內壓力變化趨勢卻有所不同，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，核電用泵有時要滿足三個運行工況點，以達到使用要求。這 就需要在原有的設計基礎上進行優(yōu)化設計實現(xiàn)泵運行條件下徑向力最小，保證機組穩(wěn)定運 行，延長使用壽命。
[0011] 核電用泵大多采用環(huán)形壓出室，理想環(huán)形壓出室是對稱結構無徑向力的，但是實 際壓出室有一個出口，使得實際流體在壓出室中徑向壓力不對稱產生徑向力。徑向力的方 向為堅直向下，產生的徑向力會引起振動噪聲，影響泵機組運行的壽命。


【發(fā)明內容】

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

【權利要求】
1. 一種基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，其特征在于， 葉輪中心線向下偏離環(huán)形壓出室中心線設置，設偏心為Λ，利用偏心所形成的壓力來 平衡與出口相對位置處的徑向壓力； 定義：環(huán)形泵殼出口兩側因葉輪偏心設置所導致的在開口兩側產生的徑向壓力區(qū)域分 別為偏心內壁區(qū)域面積SpS2，與環(huán)形泵殼出口相對的內壁的區(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，合力的方向堅直向上，用以平衡S3處的壓力；設：分別用 面積SpS2、S3近似表示三處區(qū)域的在堅直方向上的受力； 即 0· 9S3 彡SJS1 彡I.IS3 (1) S3區(qū)域的堅直向下的壓力為： S3= JI· (R2-!·2) X Θ/180。-2X1/2X Λ · r · sin(180。-Θ-a ) (2) SpS2區(qū)域的堅直向上的合力為：
式中： R--環(huán)形壓出室內徑；r-導葉外徑； Θ--環(huán)形壓出室出口所對應的圓心角的一半； 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△滿足關系式a)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，其特征在于， 選取從小到大的三個運行工況點：（Q1,H1)、（Q2,H2)、（Q3,H3)，且以工況點（Q2,H2)為最 優(yōu)工況點； 最優(yōu)工況點（Q2,H2)下： S3區(qū)域的堅直向下的壓力、SpS2區(qū)域的堅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)形壓出室出口結構對應的缺少的部分引起的流動紊亂所造成的損失，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紊亂的損失，定義擴散段出 口對應的偏心區(qū)域的面積為S4，擴散段進口對應的缺少部分面積S5 ;并近似用面積S4、S5 分別表示擴散段出口對應的偏心區(qū)域的壓強、擴散段進口對應的泵殼面積處的壓強， 艮P:S4 =S5 (6) S4、S5兩處的壓強分別為： S4 = 2XΔXrXsinδ(7)
式中： R--環(huán)形壓出室內徑；r-導葉外徑； Θ--環(huán)形壓出室出口所對應的圓心角的一半； 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為擴散角，取值范圍為Ψ = 8°?12° ;L為擴散管 高度；Dd為排出口徑； 三個運行工況（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)權利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，其特征在于， 所述擴散角Ψ的取值范圍為8°?12°。
4. 根據(jù)權利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，其特征在于， 排出口徑Dd=0.5H，其中Q為流量。 V3600
5. 根據(jù)權利要求2所述的基于徑向力核電用泵環(huán)形泵殼水力設計方法，其特征在于， 擴散管高度L= 0. 6Dd。
【文檔編號】F04D29/40GK104314870SQ201410441733
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權日:2014年9月1日
【發(fā)明者】王秀禮, 尹庭赟, 袁壽其 申請人:江蘇大學