本文系國家杰出青年基金(編號：50825902)、江蘇省科技支撐計劃(工業(yè)部分)(編號：BE2010156)、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計劃(編號：CX08B-0632)和鎮(zhèn)江市工業(yè)科技攻關計劃(編號：GY2008002)資助項目部分內容。 離心式上充泵是核電站一回路的化學和容積控制系統(tǒng)(RCV)的重要組成部分,是最關鍵的核電動力設備之一,也是難度僅次于主泵的核安全Ⅱ級設備。離心式上充泵是一種臥式、雙殼體、筒狀多級離心泵,具有流量小、揚程高、轉速高、汽蝕要求高、配套電機功率大的特點,核電規(guī)范要求該泵必須要高精度地達到5個工況點的性能,同時還要滿足熱沖擊和抗震要求,技術難度大。目前國內1000MW核電站離心式上充泵全部進口,國產化應用業(yè)績仍為空白。業(yè)內公認制約上充泵國產化的最大難題是水力模型樣機的研發(fā)。另外,上充泵的結構設計、抗熱沖擊性能、抗震性能和轉子扭振等結構可靠性研究也是制約上充泵國產化的重要因素。 本文通過對離心式上充泵水力模型開發(fā)、水力性能數(shù)值模擬、4級水力模型樣機的性能和汽蝕試驗、轉子動力扭振計算、熱固耦合計算以及抗震計算等多方面研究,旨在解決制約上充泵國產化的水力設計和結構可靠性等方面的技術難題,為離心式上充泵國產化提供理論基礎。本文主要研究工作和創(chuàng)造性成果有： 1.全面系統(tǒng)地分析了國內外高溫高壓雙殼體多級離心泵研究進展,介紹了上充泵在1000MW核電站中的重要作用,給出了核電站離心式上充泵在水力性能和結構上的特殊設計要求。在此基礎上,針對上充泵水力設計、結構設計、轉子系統(tǒng)臨界轉速計算、熱固耦合計算、抗震計算等相關理論發(fā)展進行了較全面深入的分析,制定了最終上充泵的結構設計方案。 2.對上充泵吸水室8種設計方案內部流場進行了定常流動的數(shù)值模擬對比研究。采用RANS雷諾時均方程進行數(shù)值求解,以RNG k-ε湍流模型來封閉雷諾應力項,應用SIMPLEC算法進行不可壓縮流動壓力場的求解,實現(xiàn)了對8種設計方案下葉輪內部流場的三維粘性湍流數(shù)值模擬。通過對設計流量工況及非設計流量工況下8種方案吸水室內部流動速度、壓力、湍動能分布的對比分析,發(fā)現(xiàn)：較大的吸水室入口可以有效降低水力損失,但環(huán)形空間采用弧形和直形結構對水力損失影響不大,計算結果表明,良好的直形環(huán)形空間甚至比弧形結構水力損失小。通過對8種吸水室設計方案的分析和評估,為最終進行上充泵首級葉輪優(yōu)化水力設計提供理論基礎。 3.首次采用多級離心泵多工況水力設計方法,對上充泵首級葉輪、次級葉輪進行了定常流動和非定常流動的數(shù)值模擬對比研究。其中首級葉輪采用8種設計方案,次級葉輪采用8種設計方案。結果表明：首級葉輪的汽蝕性能受葉輪幾何結構參數(shù)影響較大,另外,導葉進口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動特征,葉輪出口射流和尾流區(qū)的存在與否及所處位置與泵的流量及葉輪結構形式有很大關系,進一步證實了上充泵內從葉輪到導葉整個流場的強非對稱流動特征。通過不同設計方案及不同流量工況下的數(shù)值模擬對比分析,揭示了葉輪和導葉之間的動靜干涉對流場的影響。通過對多個設計方案不同流量工況下的數(shù)值模擬,數(shù)值預測了離心泵的性能曲線。對上充泵而言,因其要求水力性能滿足多個工況點,而常規(guī)水力設計方法又不能達到設計要求,因此多工況水力設計方法很好地解決了這一難題,為上充泵水力設計提供了一種新途徑。 4.為驗證上充泵的水力設計,制造了4級上充泵樣機,通過外特性實驗對上充泵的水力性能試驗和汽蝕性能試驗研究,并與數(shù)值計算的結果進行對比,證明了水力設計的正確性,以及數(shù)值模擬的準確性和性能預測的可行性。4級樣機水力試驗結果經(jīng)相似換算后與所要求性能參數(shù)進行對比結果表明：所要求的5個工況點水力性能達到要求,最大流量工況點發(fā)生最大偏差,為4.7%。4級樣機利用皮帶輪將轉速增加到4500 r/min,進行了汽蝕性能試驗,汽蝕性能達到設計要求。在此基礎上,進行了12級實型上充泵水力性能的數(shù)值計算。 5.首次對上充泵進行了轉子系統(tǒng)臨界轉速分析。分析計算了幾種不同因素對上充泵轉子部件固有頻率(可轉化為臨界轉速)的影響,然后綜合各種條件計算了轉子部件的臨界轉速。經(jīng)計算,轉子部件在彈性支承下的一階固有頻率為253.405Hz,即15204.3 r/min,而上充泵的實際額定轉速為4500 r/min,表明上充泵的結構動力學設計是滿足設計要求的。另外,支承剛度對轉子部件臨界轉速的影響比較大,準確地簡化支承,合理地確定支承的剛度、阻尼矩陣是計算臨界轉速必不可少的前提。 6.首次對上充泵外殼體進行了壓力應力分析、瞬態(tài)熱分析,熱應力分析和間接法耦合分析,給出應力疊加法和間接耦合法的應力評定結果與比較。壓力應力強度的最大值發(fā)生在外殼體端部的內壁節(jié)點1849上,總應力強度為42.91 MPa。間接耦合法求解的組合應力強度的最大值也發(fā)生在外殼體端部的內壁節(jié)點1849上,組合的總應力強度為42.83 MPa。應力疊加法與間接耦合法關于PL+Pb+Q≤3Sm的評定結果基本一致。 7.首次對上充泵進行了抗震分析。采用ANSYS有限元軟件,針對國內壓水堆核電站用雙層殼體離心式上充泵,建立了三維有限元模型,求出了上充泵固有頻率和振型,并對上充泵在OBE和SSE地震荷載作用下進行了抗震性能計算分析,計算結果表明：(1)在模態(tài)分析中看到上充泵的基頻為655.138 Hz,遠大于33 Hz,表明上充泵整體為剛性結構。另外,第一階振型沿水平方向,顯示地震作用下的位移響應以水平方向為主。表明在設計階段考慮增加上充泵水平方向的強度,可以有效減弱地震作用對上充泵的影響。(2)在OBE地震載荷、自重、溫度同時作用下,上充泵最大應力響應發(fā)生在外殼體中部,為69.13 MPa,按第三強度理論校核,在許用值內,滿足核電廠抗震設計規(guī)范二級部件要求；在SSE地震載荷、自重、溫度同時作用下,上充泵最大應力響應發(fā)生在外殼體中部,為103.47 MPa,按第三強度理論校核,在許用值內,滿足核電廠抗震設計規(guī)范二級部件要求,因此上充泵在OBE和SSE地震載荷作用下,能夠保證結構完整性和可運行性。(3)計算得到位移最大響應發(fā)生在外殼體中部,為0.345 mm,遠小于靜止部件和轉動部件之間的間隙1 mm,說明雙層殼體離心式上充泵在結構上滿足抗震要求。滿足核電廠抗震設計規(guī)范二級部件要求,能夠保證結構完整性和可運行性。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2010
【中圖分類】：TH311
【文章目錄】：
摘要
Abstract
符號表
第一章 緒論
    1.1 國內外能源與環(huán)境現(xiàn)狀
        1.1.1 國內外能源現(xiàn)狀
        1.1.2 國內外環(huán)境狀況
        1.1.3 核能發(fā)電的優(yōu)點
    1.2 國內外核電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
        1.2.1 世界核電發(fā)展歷程
        1.2.2 國內核電發(fā)展歷程
        1.2.3 核電站關鍵用泵國產化的緊迫性
    1.3 國內外耐高溫高壓雙殼體多級離心泵研究進展
        1.3.1 多工況及非設計工況水力設計研究進展
        1.3.2 CFD技術在離心泵中的應用研究進展
        1.3.3 離心泵內全流場非定常數(shù)值模擬研究進展
        1.3.4 熱固耦合研究進展
        1.3.5 抗震研究進展
        1.3.6 高溫高壓多級雙殼體離心泵技術發(fā)展現(xiàn)狀
    1.4 國內外核電站離心式上充泵研究現(xiàn)狀
        1.4.1 上充泵在核電站中的作用及功能
        1.4.2 國內外上充泵研究現(xiàn)狀
    1.5 本文主要研究內容
第二章 核電站離心式上充泵設計基本理論
    2.1 核電站離心式上充泵設計基本要求
        2.1.1 上充泵性能參數(shù)要求
        2.1.2 上充泵各種工況的水力性能
        2.1.3 上充泵的其它要求
    2.2 上充泵水力設計基本理論
        2.2.1 上充泵多工況點水力設計思路
        2.2.2 吸水室水力設計理論
        2.2.3 葉輪多工況水力設計理論
        2.2.4 雙蝸殼結構導葉水力設計理論
    2.3 熱固耦合理論
        2.3.1 熱傳導微分方程及定解條件
        2.3.2 熱傳導問題的有限元法
        2.3.3 熱應力分析的有限元方法
    2.4 抗震計算理論
        2.4.1 結構自由振動計算
        2.4.2 反應譜法的一般原理
        2.4.3 動力反應的振型分解
        2.4.4 振型分解反應譜理論
    2.5 上充泵整體結構設計與材料選用
        2.5.1 上充泵整體結構設計
        2.5.2 上充泵材料選用
    2.6 本章小節(jié)
第三章 吸水室水力設計方案及數(shù)值計算
    3.1 基本結構及優(yōu)化設計方案確定
    3.2 吸水室三維造型、計算方法與邊界條件
        3.2.1 三維造型及網(wǎng)格劃分
        3.2.2 計算方法及邊界條件
    3.3 吸水室水力性能數(shù)值計算結果及分析
        3.3.1 基本流態(tài)分析
        3.3.2 吸水室出口斷面流場分析
        3.3.3 水力損失特性分析
    3.4 本章小結
第四章 上充泵首級葉輪汽蝕性能數(shù)值模擬及試驗研究
    4.1 首級葉輪優(yōu)化方案確定
    4.2 三維造型
    4.3 穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算結果及分析
        4.3.1 靜壓分布的計算結果及分析
        4.3.2 速度分布的計算結果及分析
        4.3.3 非設計工況計算結果及分析
    4.4 汽蝕對壓力脈動影響的非定常計算
    4.5 汽蝕試驗研究
        4.5.1 汽蝕試驗裝置介紹
        4.5.2 試驗結果及分析
    4.6 本章小結
第五章 上充泵次級葉輪水力設計的數(shù)值模擬
    5.1 次級葉輪設計方案確定
    5.2 次級葉輪數(shù)值計算結果及分析
        5.2.1 靜壓分布的計算結果及分析
        5.2.2 速度矢量分布的計算結果及分析
    5.3 水力性能計算結果及影響因素分析
        5.3.1 各種方案次級葉輪的水力性能計算結果
        5.3.2 正導葉喉部面積對性能的影響
        5.3.3 反導葉強迫預旋對性能的影響
    5.4 次級葉輪導葉組合非定常數(shù)值計算
        5.4.1 非定常數(shù)值計算設置
        5.4.2 計算結果及分析
    5.5 本章小節(jié)
第六章 上充泵整機水力性能數(shù)值計算及試驗研究
    6.1 上充泵四級樣機水力性能數(shù)值計算及結果分析
        6.1.1 數(shù)值模擬中水力效率的計算
        6.1.2 上充泵四級樣機三維造型及網(wǎng)格劃分
        6.1.3 上充泵四級樣機水力性能數(shù)值計算結果及分析
    6.2 上充泵四級樣機水力性能試驗研究
        6.2.1 上充泵四級樣機水力性能試驗裝置
        6.2.2 上充泵四級樣機水力性能試驗結果及分析
    6.3 十二級實型上充泵數(shù)值計算
        6.3.1 十二級實型上充泵三維造型及網(wǎng)格劃分
        6.3.2 十二級實型上充泵水力性能數(shù)值計算結果及分析
    6.4 本章小結
第七章 上充泵轉子部件臨界轉速計算分析
    7.1 轉子部件的共振與臨界轉速
        7.1.1 臨界轉速基本概念
        7.1.2 計算臨界轉速的有限元法
        7.1.3 陀螺力矩的影響
    7.2 分析中單元的使用
        7.2.1 問題描述
        7.2.2 實體建模
        7.2.3 單元選取及網(wǎng)格劃分
        7.2.4 求解方法
        7.2.5 材料及物理性能
    7.3 三支承干態(tài)與濕態(tài)條件下轉子固有頻率分析
        7.3.1 三支承干態(tài)條件下轉子固有頻率分析
        7.3.2 三支承濕態(tài)條件下轉子固有頻率分析
    7.4 各種條件變化對固有頻率的影響
        7.4.1 二支承與三支承對固有頻率的影響分析
        7.4.2 軸承跨距對固有頻率的影響
        7.4.3 支承剛度對固有頻率的影響
    7.5 濕態(tài)條件下轉子臨界轉速計算
    7.6 本章小節(jié)
第八章 上充泵外殼體熱固耦合分析
    8.1 造型及網(wǎng)格劃分
    8.2 外殼體熱固耦合與邊界條件載荷處理
        8.2.1 邊界條件載荷處理
        8.2.2 計算步驟方案
    8.3 外殼體在瞬時7℃升至120℃的熱瞬態(tài)計算結果及分析
        8.3.1 不同時刻整體溫度分布計算結果及分析
        8.3.2 不同時刻整體溫度梯度分布計算結果及分析
        8.3.3 不同節(jié)點溫度隨時間變化結果及分析
        8.3.4 不同節(jié)點溫度梯度隨時間變化結果及分析
    8.4 外殼體在瞬時7℃升至120℃的熱應力計算結果及分析
        8.4.1 不同時刻整體等效應力分布計算結果及分析
        8.4.2 不同時刻整體位移分布計算結果及分析
        8.4.3 不同節(jié)點等效應力線性化結果及分析
        8.4.4 應力評定
    8.5 本章小節(jié)
第九章 上充泵整體抗震分析
    9.1 核電規(guī)范對上充泵抗震計算的基本要求
        9.1.1 核電廠物項劃分
        9.1.2 抗震等級
        9.1.3 對上充泵抗震計算模型的要求
        9.1.4 對上充泵抗震計算的要求
        9.1.5 地震作用要求
        9.1.6 核電泵抗震指標
        9.1.7 核電泵抗震分析判定
    9.2 上充泵抗震計算模型與邊界條件
        9.2.1 計算模型
        9.2.2 地震作用載荷
        9.2.3 阻尼載荷
        9.2.4 自重載荷
        9.2.5 動力件激振力載荷
        9.2.6 上充泵內部液體晃動力載荷
        9.2.7 載荷工況組合
    9.3 基于反應譜法抗震分析
        9.3.1 模態(tài)分析
        9.3.2 譜分析及模態(tài)擴展
    9.4 時程分析地震波擬合
        9.4.1 快速傅里葉變換
        9.4.2 頻率響應分析
        9.4.3 地震波擬合
    9.5 OBE地震作用下的計算結果及分析
        9.5.1 OBE地震作用下的位移響應計算結果及分析
        9.5.2 OBE地震作用下的應力響應計算結果及分析
    9.6 SSE地震作用下的計算結果及分析
        9.6.1 SSE地震作用下的位移響應計算結果及分析
        9.6.2 SSE地震作用下的應力響應計算結果及分析
    9.7 本章小節(jié)
第十章 結論與展望
    10.1 研究結論
    10.2 進一步研究展望
參考文獻
作者攻讀博士學位期間承擔的科研項目和取得的科研成果
致謝

【引證文獻】

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1 朱榮生;王韜;付強;陳景俊;;基于CFD技術的核電站上充泵全流場數(shù)值模擬[J];排灌機械工程學報;2012年01期

2 付強;袁壽其;朱榮生;;核電站離心式上充泵轉子系統(tǒng)臨界轉速計算分析[J];熱能動力工程;2012年05期

3 付強;朱榮生;王秀禮;;多級離心泵環(huán)形吸水室水力設計優(yōu)化與數(shù)值計算[J];中國農村水利水電;2012年07期

本文編號：2832339