1000MW核電站離心式上充泵水力設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)可靠性研究.pdf

1、本文系國(guó)家杰出青年基金(編號(hào)：50825902)、江蘇省科技支撐計(jì)劃（工業(yè)部分）(編號(hào)：BE2010156)、江蘇省高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(編號(hào)：CX08B-0632)和鎮(zhèn)江市工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃(編號(hào)：GY2008002)資助項(xiàng)目部分內(nèi)容。
　　 離心式上充泵是核電站一回路的化學(xué)和容積控制系統(tǒng)(RCV)的重要組成部分，是最關(guān)鍵的核電動(dòng)力設(shè)備之一，也是難度僅次于主泵的核安全Ⅱ級(jí)設(shè)備。離心式上充泵是一種臥式、雙殼體、筒狀多級(jí)離心泵，具

2、有流量小、揚(yáng)程高、轉(zhuǎn)速高、汽蝕要求高、配套電機(jī)功率大的特點(diǎn)，核電規(guī)范要求該泵必須要高精度地達(dá)到5個(gè)工況點(diǎn)的性能，同時(shí)還要滿足熱沖擊和抗震要求，技術(shù)難度大。目前國(guó)內(nèi)1000MW核電站離心式上充泵全部進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用業(yè)績(jī)?nèi)詾榭瞻?。業(yè)內(nèi)公認(rèn)制約上充泵國(guó)產(chǎn)化的最大難題是水力模型樣機(jī)的研發(fā)。另外，上充泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、抗熱沖擊性能、抗震性能和轉(zhuǎn)子扭振等結(jié)構(gòu)可靠性研究也是制約上充泵國(guó)產(chǎn)化的重要因素。
　　 本文通過對(duì)離心式上充泵水力模型開發(fā)、水

3、力性能數(shù)值模擬、4級(jí)水力模型樣機(jī)的性能和汽蝕試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子動(dòng)力扭振計(jì)算、熱固耦合計(jì)算以及抗震計(jì)算等多方面研究，旨在解決制約上充泵國(guó)產(chǎn)化的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)可靠性等方面的技術(shù)難題，為離心式上充泵國(guó)產(chǎn)化提供理論基礎(chǔ)。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(guó)內(nèi)外高溫高壓雙殼體多級(jí)離心泵研究進(jìn)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(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)上充泵水

4、力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算、熱固耦合計(jì)算、抗震計(jì)算等相關(guān)理論發(fā)展進(jìn)行了較全面深入的分析，制定了最終上充泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
　　 2.對(duì)上充泵吸水室8種設(shè)計(jì)方案內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了定常流動(dòng)的數(shù)值模擬對(duì)比研究。采用RANS雷諾時(shí)均方程進(jìn)行數(shù)值求解，以RNG k-ε湍流模型來(lái)封閉雷諾應(yīng)力項(xiàng)，應(yīng)用SIMPLEC算法進(jìn)行不可壓縮流動(dòng)壓力場(chǎng)的求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)8種設(shè)計(jì)方案下葉輪內(nèi)部流場(chǎng)的三維粘性湍流數(shù)值模擬。通過對(duì)設(shè)計(jì)流量工況及非設(shè)計(jì)流量

5、工況下8種方案吸水室內(nèi)部流動(dòng)速度、壓力、湍動(dòng)能分布的對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)水力損失影響不大，計(jì)算結(jié)果表明，良好的直形環(huán)形空間甚至比弧形結(jié)構(gòu)水力損失小。通過對(duì)8種吸水室設(shè)計(jì)方案的分析和評(píng)估，為最終進(jìn)行上充泵首級(jí)葉輪優(yōu)化水力設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　　 3.首次采用多級(jí)離心泵多工況水力設(shè)計(jì)方法，對(duì)上充泵首級(jí)葉輪、次級(jí)葉輪進(jìn)行了定常流動(dòng)和非定常流動(dòng)的數(shù)值模擬對(duì)比研究。其中首級(jí)葉

6、輪采用8種設(shè)計(jì)方案，次級(jí)葉輪采用8種設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：首級(jí)葉輪的汽蝕性能受葉輪幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大，另外，導(dǎo)葉進(jìn)口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動(dòng)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(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)了上充泵內(nèi)從葉輪到導(dǎo)葉整個(gè)流場(chǎng)的強(qiáng)非對(duì)稱流動(dòng)特征。通過不同設(shè)計(jì)方案及不同流量工況下的數(shù)值模擬對(duì)比分析，揭示了葉輪和導(dǎo)葉之間的動(dòng)靜干涉對(duì)流場(chǎng)的影響。通過對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案不同流量工況下的數(shù)值模擬，數(shù)值

7、預(yù)測(cè)了離心泵的性能曲線。對(duì)上充泵而言，因其要求水力性能滿足多個(gè)工況點(diǎn)，而常規(guī)水力設(shè)計(jì)方法又不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此多工況水力設(shè)計(jì)方法很好地解決了這一難題，為上充泵水力設(shè)計(jì)提供了一種新途徑。
　　 4.為驗(yàn)證上充泵的水力設(shè)計(jì)，制造了4級(jí)上充泵樣機(jī)，通過外特性實(shí)驗(yàn)對(duì)上充泵的水力性能試驗(yàn)和汽蝕性能試驗(yàn)研究，并與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了水力設(shè)計(jì)的正確性，以及數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和性能預(yù)測(cè)的可行性。4級(jí)樣機(jī)水力試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)相似換算后與所要求

8、性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果表明：所要求的5個(gè)工況點(diǎn)水力性能達(dá)到要求，最大流量工況點(diǎn)發(fā)生最大偏差，為4.7％。4級(jí)樣機(jī)利用皮帶輪將轉(zhuǎn)速增加到4500 r/min，進(jìn)行了汽蝕性能試驗(yàn)，汽蝕性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了12級(jí)實(shí)型上充泵水力性能的數(shù)值計(jì)算。
　　 5.首次對(duì)上充泵進(jìn)行了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速分析。分析計(jì)算了幾種不同因素對(duì)上充泵轉(zhuǎn)子部件固有頻率（可轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速）的影響，然后綜合各種條件計(jì)算了轉(zhuǎn)子部件的臨界轉(zhuǎn)速。經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)子部

9、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(shí)際額定轉(zhuǎn)速為4500r/rain，表明上充泵的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)是滿足設(shè)計(jì)要求的。另外，支承剛度對(duì)轉(zhuǎn)子部件臨界轉(zhuǎn)速的影響比較大，準(zhǔn)確地簡(jiǎn)化支承，合理地確定支承的剛度、阻尼矩陣是計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速必不可少的前提。
　　 6.首次對(duì)上充泵外殼體進(jìn)行了壓力應(yīng)力分析、瞬態(tài)熱分析，熱應(yīng)力分析和間接法耦合分析，給出應(yīng)力疊加法和間接耦合法的應(yīng)力評(píng)定結(jié)果與比較。壓

10、力應(yīng)力強(qiáng)度的最大值發(fā)生在外殼體端部的內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)1849上，總應(yīng)力強(qiáng)度為42.91MPa。間接耦合法求解的組合應(yīng)力強(qiáng)度的最大值也發(fā)生在外殼體端部的內(nèi)壁節(jié)點(diǎn)1849上，組合的總應(yīng)力強(qiáng)度為42.83MPa。應(yīng)力疊加法與間接耦合法關(guān)于PL+Pb+Q≤3Sm的評(píng)定結(jié)果基本一致。
　　 7.首次對(duì)上充泵進(jìn)行了抗震分析。采用ANSYS有限元軟件，針對(duì)國(guó)內(nèi)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(duì)上

11、充泵在OBE和SSE地震荷載作用下進(jìn)行了抗震性能計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明：(1)在模態(tài)分析中看到上充泵的基頻為655.138 Hz，遠(yuǎn)大于33 Hz，表明上充泵整體為剛性結(jié)構(gòu)。另外，第一階振型沿水平方向，顯示地震作用下的位移響應(yīng)以水平方向?yàn)橹鳌１砻髟谠O(shè)計(jì)階段考慮增加上充泵水平方向的強(qiáng)度，可以有效減弱地震作用對(duì)上充泵的影響。(2)在OBE地震載荷、自重、溫度同時(shí)作用下，上充泵最大應(yīng)力響應(yīng)發(fā)生在外殼體中部，為69.13 MPa，按第三強(qiáng)度理論

12、校核，在許用值內(nèi)，滿足核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范二級(jí)部件要求；在SSE地震載荷、自重、溫度同時(shí)作用下，上充泵最大應(yīng)力響應(yīng)發(fā)生在外殼體中部，為103.47MPa，按第三強(qiáng)度理論校核，在許用值內(nèi)，滿足核電廠抗震設(shè)計(jì)規(guī)范二級(jí)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(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。(3)計(jì)算得到位移最大響應(yīng)發(fā)生在外殼體中部，為0.345mm，遠(yuǎn)小于靜止部件和轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的間隙1mm，說明雙層殼體離心式上充泵在結(jié)構(gòu)上滿足抗震要求