AP1000核主泵模型泵导叶水力设计与数值优化

采用基础水力设计方法,利用模型泵叶轮外参数设计AP1000核主泵直导叶;基于CFD的数值计算与分析结果,针对所设计的直导叶内部流场流动损失较大的问题,提出2种不同的优化设计方案:第1种直接在直导叶的基础上进行优化设计;第2种采用叶轮与导叶配合设计的方法,将直导叶转化为扭曲空间导叶,并对其进行优化.在空间导叶的优化中也考虑了2种方案,对叶型进行参数化造型,然后生成样本数据库,选择叶轮加导叶结构的水力效率作为优化的目标函数,利用人工神经网络和遗传算法对不同空间导叶叶型进行多次优化改进,最终获得与叶轮水力性能匹配优良的核主泵导叶.最后讨论了不同导叶叶片数对水力效率的影响,从流动的角度对导叶叶片数的选取提供了理论指导和参考.     

导叶进口边相对位置对混流泵压力脉动的影响

以混流泵作为研究对象,探究导叶进口边的相对位置对混流泵水力性能及内部压力脉动的影响.基于ANSYS CFX软件并采用k-ω湍流模型进行了定常和非定常计算.通过改变导叶进口边的相对位置,利用数值模拟来预测混流泵的水力性能,并选取了4个方案,对混流泵的压力脉动进行了频谱分析.结果表明:随着叶轮出口边与导叶进口边的夹角α增大,混流泵的水力性能先增大后减小,在α=5°时,混流泵的水力性能达到最优.α的变化对泵内部的压力脉动幅值波动大小有影响,α越大,泵内部的压力脉动越小.α的变化会影响泵内部的压力脉动主频幅值.在叶轮进出口处,α越大,主频幅值越小,而在蜗壳内部,则无明显规律.随着α的增大,在蜗壳内靠近隔舌位置的压力脉动,受叶轮旋转作用的影响变小,受隔舌的影响作用变大.研究结果可为混流泵的导叶优化设计提供一定的参考.     

气液两相条件下核主泵导叶出口边安放位置

为了研究气液两相条件下,不同导叶出口边安放位置对核主泵内部压力脉动、含气率脉动的影响,并最终找出最佳的导叶出口边安放位置,采用三维数值模拟软件CFX模拟泵内部的瞬态流场,在泵壳内壁面和出口不同位置设置监测点,以了解各模型内部不同时刻、不同位置的压力、含气率分布.对比不同模型相同点的压力脉动、含气率脉动的时域、频域图可以发现:导叶出口边在泵壳中心平面(C-C平面)时,泵壳壁面上各点所受压力较小且较平稳,即压力脉动引起的振动、噪声较小,从安全性方面考虑,此时导叶出口边安放位置最佳;泵壳壁面上的压力脉动主要受叶轮的转动影响;除了类似隔舌处外,叶轮的转动对泵壳壁面和出口含气率脉动的影响不大,沿着液体绕流方向泵壳内壁面上的含气率逐渐增大,到出口达到最大.     

导叶位置对S型轴伸贯流泵装置水力性能的影响

为了研究不同导叶位置对S型轴伸式贯流泵装置水力性能的影响,设计了4种不同导叶相对位置的方案,并分别针对小流量(Q=0.8Q0)、设计流量(Q=1.0Q0)、大流量(Q=1.2Q0)3种工况下的S型轴伸贯流泵装置进行了数值模拟计算。对比数值模拟结果与试验结果,并分析计算结果的外特性与内特性,通过模型试验验证了数值模拟计算结果的准确性。结果表明,泵装置效率和扬程随导叶相对位置逐渐增大呈现先上升后下降的趋势,导叶与叶轮之间的相对距离存在最优值A=10 mm,在此位置时,泵装置效率和扬程相对最高,导叶体水力损失与出水流道水力损失相对最小,导叶体对于动能的回收能力强。小流量与设计流量工况下,出水流道进口平均涡角的大小随导叶相对位置先减小后增加,对应出水流道水力损失先下降后上升的趋势。大流量工况下,平均涡角不随导叶相对位置变化而变化。     

1000MW核主泵导叶体型线检测新方法

为了检测核主泵水力部件数控加工完成后叶片型线的偏离程度,提出了一套水力部件的检测和评定方法.采用逆向工程点云分析软件（Poly Works）与三维扫描设备相结合,测量导叶体模型叶片与产品叶片进出口压力、吸力面三坐标,同时计算叶片型线偏离的均方根偏差.通过对叶片进出口型线测量数据的统计处理和理论分析,提出叶片进出口型线偏离角度Δβ的计算公式、叶片间叶距角Δφ的偏离公式以及部分叶片型线偏离的修正公式K.结果表明：该方法能够准确有效地检测水力机械叶片型线的分布,保证了各型线有相同的包角.以国内福建福清核电站12号机组以及秦山一期扩建工程方家山核电站主泵导叶体翼型的检测与评定分析为例,经主泵全流量试验验证表明,与数值分析结果相比,主泵流量满足规范偏离设计流量的±2.5%,扬程偏离±1.5%的要求.     

核主泵空化流动对能量转换的影响

为研究核主泵内部空化流动对能量转换的影响,采用RNG k-ε湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对设计工况下核主泵模型泵进行了全流场空化模拟,得到核主泵发生空化时叶轮内气泡分布规律.选取叶片吸力面的前盖板流线和后盖板流线,通过分析不同空化工况下这两条流线上的动扬程与静扬程变化规律,研究核主泵发生空化时,空化流动对叶轮内能量转换的影响.结果表明:核主泵内流体的能量主要由叶轮中后段提供,且从前盖板到后盖板,叶片做功能力逐渐减弱;空化干扰叶轮内流体流动,导致空化区域相对速度增大,压力减小,在气泡密集区域,叶片做功能力几乎为0;随着空化程度加剧,无空化区动扬程增大,静扬程减小,且静扬程减小幅度大于动扬程增大幅度,从而引起泵扬程和效率下降;随着空化程度加剧,动、静扬程突变程度加剧,增大了叶轮内的流动损失,进而导致泵扬程及效率进一步下降.     

导叶叶片数及导叶相对位置对低扬程轴流泵装置性能的影响

为研究导叶叶片数及导叶相对位置对轴流泵装置性能的影响,设计了3个不同导叶数方案和4个不同导叶相对位置方案,采用计算流体动力学软件分别对每个模型在0.8Q_d~1.2Q_d之间的5个工况进行计算.根据数值计算结果,选择最优模型,即导叶数为5,叶轮出口距导叶距离为0.086D的泵装置模型进行能量特性试验,并将试验结果与数值计算结果进行对比分析.结果表明:当轴流泵叶轮叶片数一定时,增加导叶数,将使导叶水力损失增大,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;当叶轮叶片数和导叶数一定时,叶轮出口至导叶进口距离过大或过小时,将使导叶水力损失增大,导叶出口速度环量减小,出水流道水力损失增大,泵装置效率将下降;试验结果与数值计算结果的误差在4%以内,验证了数值计算的可靠性、准确性.研究结果可为泵装置的导叶水力设计和效率提高提供一定参考.     

1 000 MW核主泵导叶体型线检测新方法

为了检测核主泵水力部件数控加工完成后叶片型线的偏离程度,提出了一套水力部件的检测和评定方法．采用逆向工程点云分析软件(PolyWorks)与三维扫描设备相结合,测量导叶体模型叶片与产品叶片进出口压力、吸力面三坐标,同时计算叶片型线偏离的均方根偏差．通过对叶片进出口型线测量数据的统计处理和理论分析,提出叶片进出口型线偏离角度Δβ的计算公式、叶片间叶距角Δφ的偏离公式以及部分叶片型线偏离的修正公式K．结果表明:该方法能够准确有效地检测水力机械叶片型线的分布,保证了各型线有相同的包角．以国内福建福清核电站12号机组以及秦山一期扩建工程方家山核电站主泵导叶体翼型的检测与评定分析为例,经主泵全流量试验验证表明,与数值分析结果相比,主泵流量满足规范偏离设计流量的±25％,扬程偏离±15％的要求．     

偏心距对核主泵径向力影响的数值分析

为了研究核主泵所受径向力,基于RNG k-ε模型分别对原型核主泵和重心偏移后的核主泵进行数值模拟.通过模拟分别获得了原型泵和不同偏心距下核主泵外特性、中心截面的静压分布及作用在蜗壳和叶轮上的径向力特性,并将其与理论值进行对比分析.研究结果表明:对比试验与数值计算外特性曲线趋势一致,说明所建立的核主泵径向力计算模型具有一定的准确性;4种方案下叶轮与导叶内部的静压区别不大,而蜗壳内部的静压变化较明显,各偏心距下的静压呈非对称分布,偏心距的变化对核主泵的内外特性具有一定的影响;核主泵在设计点运行时径向力最小但不为零,偏心10 mm左右时所受径向力最小;通过对比不同偏心距下径向力数值预测值和Stepanoff理论公式计算值可知,不同偏心距所受径向力与理论公式值变化趋势一致,说明数值模拟的方法验证了用经验公式计算径向力的准确性.     

核主泵前腔间隙对性能影响的数值计算

基于相对坐标系下的雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,采用SIMPLE算法,以清水为介质,对AP1000核主泵模型进行数值模拟.通过改变压水室与前腔间隙设计出4种不同方案,并对各种方案下泵内流动进行全三维数值模拟,获得不同间隙下模型泵轴向力和前腔内流动变化趋势和规律.计算结果表明:在工作流量(0.8Q_d~1.2Q_d)下,间隙变化对泵扬程和效率都有一定影响;核主泵前腔间隙变化导致泵最高效率点位置相对于设计工况发生偏移,其偏移方向和偏移程度与间隙变化无明显对应关系;在设计工况(1.0Q_d)下,泵效率在间隙为0.6 mm时高于其他间隙,相比间隙为1.8 mm时提高了1.66%;在1.2Q_d工况下,间隙为1.8 mm时效率高于其他间隙,相比间隙为2.4 mm时泵效率提高了2.17%;从全工况看,间隙对轴向力影响较小,轴向力随着流量的增大呈单调递减趋势,其计算值明显低于试验值,但随着流量的增加,理论计算值的相对误差有减小趋势.     

叶片进口边位置对单叶片离心泵性能的影响

为研究叶片进口边位置对单叶片离心泵性能和内部流动特性的影响,设计了6种不同叶片进口边位置的叶轮.在完成数值计算方法可靠性的试验验证后,分别对采用6种叶轮的泵进行了全流场定常数值计算.计算结果表明:叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口适当延伸,可增强叶片对流体的控制能力和叶片的做功能力,扬程最大可分别提高1.61 m和0.70 m,效率最大可分别提高5.23%和2.01%;叶片进口边向泵入口延伸过多,会造成叶片入口处流体堵塞,某些工况下泵的扬程和效率反而会降低;叶片进口边沿前盖板或后盖板向泵入口延伸,可降低流体在叶片入口处的能量损失,能够提高叶片吸力面入口处的压力,和减小蜗壳内的低速区域,但是会增大叶片入口处、叶片压力面前端和叶片吸力面附近的低速区域.与叶片进口边沿后盖板向泵入口延伸相比,叶片进口边沿前盖板向泵入口延伸对泵的扬程和效率影响更明显.     

导叶出口边位置对深井离心泵性能的影响

选取100QJ30型混流式深井离心泵作为研究对象,借助数值模拟和性能试验的方法,研究导叶叶片出口边位置不同对深井离心泵性能的影响,并分析其内部流场的差异性和规律性.在导叶叶片主要几何参数不变的情况下,调整叶片出口边轴向位置,确定3种不同的导叶方案,其叶片出口边与导叶场域出口的轴向距离分别为6,3和1 mm.采用Ansys CFX软件分别对3个方案进行数值模拟,以两级泵模型建立计算域,划分结构化网格,基于标准k-ω湍流模型和标准壁面函数进行多工况数值模拟,分别对3个方案进行了性能预测,并对预测结果进行了对比分析.结果表明:导叶叶片出口边延伸可抑制由于脱流而产生涡核的演化与成长,进而消除导叶流道内的旋涡,改善次级叶轮进口处液体的流场分布.较前2个方案,方案3中的导叶结构较大幅度提升了导叶的整流能力.     

导叶安装位置对余热排出泵内流特性的影响

为研究导叶与蜗壳的最优相对安装位置,采用ANSYS CFX14.0对百万千瓦级核电用余热排出泵不同流量工况下定常流动进行全流道三维数值模拟,分析导叶与蜗壳5种不同相对位置对余热排出泵内部流动特性的影响规律,对比分析了泵内部压力、速度及湍动能分布特性.结果表明:在设计流量和大流量工况下,导叶与蜗壳不同相对位置对扬程的影响较小;在小流量工况下,导叶与蜗壳的相对位置对叶轮内部压力分布影响较小,对导叶和蜗壳内流特性影响较大;当导叶与蜗壳相对位置θ=79.56°时,余热排出泵高效区最宽,导叶流道内沿流线方向压力梯度变化比较均匀,蜗壳流道内压力、速度梯度变化最小,蜗壳出口压力梯度变化均匀.该研究为导叶的最优相对安装位置提供了一定的参考.     

导叶相位角度对管道输油泵水力性能的影响

为提高管道输油泵水力性能,以某型号大型管道输油泵为研究对象,针对导叶相位角度对其水力性能的影响进行研究.采用Pro/E与Gambit软件对该输油泵全流道内流场进行三维造型与网格划分.应用计算流体动力学软件CFX对输油泵在6个导叶相位(0°,6°,12°,18°,24°和30°)及5个流量工况(0.8Q_d,0.9Q_d,1.0Q_d,1.1Q_d和1.2Q_d)下的内流场进行定常数值计算,得到了不同导叶相位下输油泵的性能曲线,对比分析了不同导叶相位下输油泵的内部流动情况.研究结果表明:不同相位时,在设计工况下扬程差别较大,扬程最大相差6%,大流量及小流量工况下扬程的差别较小;设计工况下效率差别较小,大流量及小流量工况下效率的差别增大,效率最大相差2%;导叶叶片背面出口处的低速区是影响输油泵水力性能的重要因素,不同导叶相位下,蜗壳隔舌处的流场不同,进而影响输油泵的水力性能;受导叶流道出口低速区的影响,导叶相位为6°,12°及18°时,蜗壳扩散段流态较差,导致输油泵效率偏低,且蜗壳出口速度分布非常不均,不利于输油泵高效平稳地运行.     

导叶径向位置对井用潜水泵性能的影响

为研究导叶径向位置对潜水泵性能的影响,针对250QJ125型井用潜水泵,在其他参数一定的条件下,通过改变空间导叶入口径向位置,设计了9组潜水泵导叶方案.基于雷诺时均N-S方程、RNG k-ε模型,采用SIMPLE算法,对井用潜水泵空间导叶在不同径向位置模型的内部流动进行了全流道三维数值计算.对计算结果进行分析,获得了不同导叶方案时潜水泵的性能参数,对比了不同方案导叶损失及其过水断面面积变化规律,以及导叶内部的湍动能与静压分布.结果表明:导叶径向位置对潜水泵性能影响十分显著;当径向距离增大直到导叶位于适当位置时,导叶内部损失较小,具有较强的能量转换能力,导叶内部的湍动能波动程度减弱,大大降低了流动损失,泵效率提高;但当径向距离过大时,导叶过水断面面积变化规律出现明显差异,湍动能波动程度加剧,导叶流动损失增加,泵性能下降.     

蒸汽发生器出口管参数对核泵入口流场的影响

为研究蒸汽发生器出口管参数对核主泵入口流场的影响,将蒸汽发生器下封头与核主泵统一建模,采用CFD方法对其耦合模型进行全三维流场仿真计算.结果表明:蒸汽发生器出口管长对核主泵入口流场有较大的影响,且该影响在入口管较短时尤为明显,随着蒸汽发生器管长的增加,这种影响逐渐减小,核主泵入口流场趋于稳定;蒸汽发生器出口管的位置对核主泵入口流场紊乱度的影响相对较小,且不同位置管内流场发展趋势相近,但是会对流场的高速区以及低速区产生的位置造成影响;蒸汽发生器出口管中的流场极为紊乱,并在开始部分存在较大的回流区;随着流场的发展,在离蒸汽发生器出口350 mm附近回流区消失,之后流场逐渐趋于稳定,但是流场的偏心现象不会消失.     

混流泵导叶对其性能的影响

采用两类相对流面迭代计算轴面流网,给定不同的导叶进口安放角、安放角沿流线分布规律及进出口边位置,通过逐点积分绘制空间骨面,在保角变换平面内完成加厚与修圆,设计了一系列混流泵导叶．应用SIMPLE算法,求解雷诺时均N-S方程与标准k-ε方程,模拟了同一叶轮匹配不同导叶时混流泵内部的全流道三维湍流流场,并预测其水力效率,得到导叶包角与水力效率随不同设计参数变化的曲线,结合导叶前后截面内相对速度、静压和总压分布,分析不同设计参数对于混流泵性能的影响．结果表明:导叶进口安放角对于混流泵性能的影响最为显著,选取适当可以减小进口冲击损失;安放角沿流线变化规律的选取需要考虑控制包角大小,以减小导叶区的水力摩擦损失;进出口边位置选取过程需要考虑导叶的能量转换能力与水力摩擦损失的影响．     

不同压出室下叶轮切割对离心泵性能影响

为研究2种不同压出室下叶轮切割对离心泵性能的影响,以及单级单个叶轮切割与多级下单个叶轮切割的差异,基于N-S方程、标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法对MD-280-43×6型多级离心清水泵进行三维数值模拟.计算结果表明:以单级单个叶轮为切割目标时,随着切割量增大,螺旋形压出室的水力效率变化趋势比径向导叶式压出室的变化趋势更为明显,压水室水力损失每叶轮2%切割量,损失平均增长分别为0.360,0.193 m,2种压出室内部动压分布及对叶轮所产生径向力的变化趋势有明显差异;以多级下单个叶轮切割与单级单个叶轮切割的对比为目标时,对于径向导叶式压出室离心泵和螺旋形压出室离心泵,其水力效率、扬程、内部湍动能分布与各种单级单个模型平均偏差分别为1.644%,0.279%,2.090 m,1.573 m,1.302 J/kg,1.548 J/kg;不同压出室下叶轮切割特性的研究,应考虑压出室所带来的差异;多级泵叶轮切割特性研究时,应尽量回归多级环境进行研究.     

三通全扩散/收缩管无阀压电泵的流阻性能

针对传统扩散/收缩管无阀压电泵效率低的不足,提出一种新型三通全扩散/收缩管无阀压电泵.为了寻求新型三通全扩散/收缩管流管的最佳几何尺寸参数,在有限元仿真试验方法的基础上,将新型三通全扩散/收缩管与传统扩散/收缩管进行性能对比分析.分别改变三通全扩散/收缩管的分流锥管长度L2、分流锥管夹角φ、分流锥管的锥角2θ和分流锥管宽度b2,研究分流锥管结构参数对三通全扩散/收缩管流阻特性的影响.结果表明,相对于传统扩散/收缩管,三通全扩散/收缩管的反向流阻系数与正向流阻系数之比λ在较高雷诺数下大于传统扩散/收缩管,可提高无阀压电泵的效率;在不同雷诺数流动下,三通全扩散/收缩管的最优结构参数相差较大,设计时必须要根据实际工况选用合适的结构参数.