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大功率屏蔽式核主泵高效低轴向力低脉动水力设计研究

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摘要

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 国内外相关研究现状和进展

1.2.1 CAP1400核主泵效率与轴向力相关研究

1.2.2 CAP1400核主泵水力脉动相关研究

1.3 本文主要研究思路与内容

1.4 本章小结

2 多重约束下核主泵高效水力部件设计研究

2.1.2 缩尺模型下的多重约束

2.2 多重约束下的核主泵水力模型初步设计

2.2.1 叶轮和导叶水力设计

2.2.2 叶轮和导叶几何参数化造型

2.3 基于流场分析的水力部件优化设计

2.3.1 核主泵流场数值计算方法

2.3.2 叶轮流场分析与优化

2.3.3 导叶流场分析与优化

2.4 基于通道损失最小的水力部件优化设计

2.4.2 优化策略

2.4.3 优化过程

2.5 本章小结

3 核主泵水力部件高效低轴向力研究

3.1 轴向水力载荷分布规律

3.2 基于轴面流道的轴向力优化设计

3.2.1 叶轮进水边对轴向力和效率的影响

3.2.2 叶轮出水边对轴向力和效率的影响

3.3 叶片三维扭曲对效率和轴向力的影响规律

3.4 限制条件下高效低轴向力设计准则

3.4.2 限制条件下高效低轴向力叶轮出水边设计准则

3.5 本章小结

4 核主泵非定常水力脉动研究

4.1.1 压力脉动分布特征

4.1.2 常规叶片积叠规律对压力脉动的影响研究

4.2 非对称轴面流道错列叶片创新设计

4.2.1 新型错列叶片叶轮和导叶几何

4.2.2 错列叶片对效率和轴向力的影响

4.3 降低压力脉动的错列叶轮

4.3.1 不同错列叶轮的压力脉动特征

4.3.2 错列导叶对压力脉动的影响

4.4 改善径向力的错列导叶

4.4.1 非定常径向力脉动规律

4.4.2 错列叶轮对非定常径向力影响

4.4.3 不同错列导叶的非定常径向力

4.5 本章小结

5 核主泵缩尺模型水力试验研究

5.1.1 模型泵的构建

5.1.2 各性能测试方法

5.2 水力性能试验数据与分析

5.3 轴向力试验测试数据与分析

5.4 压力脉动试验测试数据与分析

5.5 真机性能相似换算

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

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摘要

目前我国在引进AP1000核主泵基础上开展自主的CAP1400大功率屏蔽电机主泵研制,水力部件必须进行全新的设计和针对性的研究。CAP1400核主泵要求水力部件的效率高于85%以减小电机的整体结构尺寸;要求叶轮上的水力轴向力小于230000N以满足电机内水润滑推力轴承的承载能力,且不能采取平衡措施;在这两项性能要求基础上要尽可能降低水力部件内非定常水力脉动,以满足期望的长周期安全使役。同时水力部件的设计需在压水室结构和尺寸给定、导叶外径限定、安装位置要求和不同叶轮加工要求的多重约束下进行。
  针对CAP1400核主泵的三个关键水力性能:效率、轴向力和水力脉动,首先建立缩尺水力模型,采用数值研究和试验验证相结合的方法,针对性的研究了多重约束下核主泵叶轮-导叶的形性相关性,揭示了叶片积叠、轴面流道和叶片数等几何参数对效率和轴向力的影响规律;确立了一种新的叶轮-导叶协同优化策略,建立了考虑出水边影响的轴向力修正公式,提出了限制条件下高效低轴向力叶轮设计准则,实现了核主泵水力部件的高效低轴向力设计;在高效和低轴向力基础上,创新设计了一种非对称轴面流道错列叶片,并开展了错列叶片下压力脉动和非定常径向力的研究,进一步实现了核主泵水力部件的低脉动设计;最终完成了模型泵的设计、制造和相关试验验证。
  研究表明:叶轮叶片正倾角积叠规律有利于提高效率,5叶片叶轮能够在同时满足不同加工要求下提升效率。高效叶轮出水边主要几何特征为:大出口宽度、小叶轮外径。高效导叶叶轮出口宽度比应朝着增大的方向优化设计,高效导叶叶轮出口外径比同样应朝着增大的方向优化设计;在安装限制下半喇叭型导叶设计有利于提高效率。叶轮出水边前后盖板直径比对轴向力影响大,适当减小前后盖板直径比在满足高效的前提下有利于降低轴向力,通过前后盖板直径比修正的轴向力计算公式与CFD计算相符合。高效低轴向力下叶轮出水边的几何参数应该按照适当增加比转速的方式进行计算。叶轮进口直径在兼顾效率和轴向力下存在一个合理的取值。积叠倾角对压力脉动的影响均较弱。错列叶片叶轮能够明显降低压力脉动,等流量等角度错列最优;错列叶片导叶能够有效减小径向力,同样等流量等角度错列最优。
  通过研究给出了叶轮和导叶设计方案。1∶2.5缩尺模型最终方案的效率为84.9%,换算到真机热态效率高于88%,真机换算的轴向力为190000N;性能满足CAP1400核主泵水力设计要求,被选定为CAP1400核主泵水力部件两套设计方案之一。

著录项

  • 作者

    周方明;

  • 作者单位

    大连理工大学;

  • 授予单位 大连理工大学;
  • 学科 流体机械及工程
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 王晓放;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 TL353.12;
  • 关键词

    核主泵; 错列叶片; 低脉动设计;

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