基于径向力多工况核电用泵环形泵壳水力设计方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，近似用环形泵壳出口两侧的偏心内壁区域的面积S1、S2以及与环形泵壳出口相对的内壁的区域的面积为S3表示三处的压力；使叶轮中心线偏离环形压出室中心线的值Δ满足0.9S3≤S2+S1≤1.1S3关系式。利用叶轮中心线与环形压出室中心线偏心产生的压差平衡消除由环形压出室本身结构引起的绝大部分径向力，同时满足多个工况点的运行要求。
【专利说明】基于径向力多工况核电用泵环形泵壳水力设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于核电用泵领域，尤其是基于径向力多工况核电用泵环形泵壳水力设计 方法。
【背景技术】
[0002] 核电泵要求连续运转，对可靠性和安全性要求极为严格。许多泵还要求在紧急情 况下可以保证安全停车。由于放射性液体的泄漏对环境和人身构成潜在的威胁，要保证这 些泵没有泄露或泄露在可控制的范围之内，在结构上就必须保证核电用泵是整体的装在一 个容器里，这样也造成核电用泵成本高。
[0003] 核电用泵是核承压设备，应遵守美国ASME规范和法国RCC规范。按ASME规范核 设备分三个等级：
[0004] 核一级：它的损坏会导致一回路冷却剂的漏失超过反应堆正常补水能力，或会阻 碍反应堆的顺利停堆和冷却。
[0005] 核二级：核一级以外的输送反应堆冷却剂的承压设备。
[0006] 核三级：其他重要安全设备，及其损坏不会引起直接放射性的后果的设备。
[0007] 现有核电站主要有两大类：压力反应堆（PWR)电站和沸水反应堆（BWR)电站。在 建的核电站大部分为PWR核电站。
[0008] PWR电站有两个回路，一次回路是把水或其他液体压入反应堆，获得由核裂变释 放的核能，被加热的高温高压的水或其他液体（典型一次回路在压力15. 3-16. 3MPa下， 300-350°C水不气化），然后进入蒸汽发生器，把热量交换给第二回路中的水，而后被主泵压 入反应堆重新被加热；在第二回路中蒸汽发生器内的水被加热成蒸汽，进入汽轮机，带动发 电机发电，做功后的蒸汽进入冷凝器冷却成水，再由给水泵送入蒸汽发生器，被加热变成蒸 汽，以此循环。通常所说的核岛是指发生蒸汽的部分，非核岛是指蒸汽转换为电能的部分， 非核岛和火电站基本相同。
[0009] 核电用泵径向力可以简单地认为是叶轮四周流场对叶轮所产生的径向作用力。对 于环形压水室，在零流量时，叶轮尽管有流体流入和排出，但是，全部流体在叶轮的作用下 在环形空间内作强制涡旋运动。由于叶轮和环形泵体都是对称的，这相当于实心圆环在环 形空间内做转动，忽略出口的影响，叶轮四周的压力和流场都是对称的，这是理论上环形泵 的径向力为零。一旦产生流量，这种平衡便被破坏，这时环形流道内的流量沿周向逐渐增 力口，在隔舌处部分流体重新进入压水室，压水室压力也沿周向逐渐下降，随着流量的进一步 增加并超过额定流量后，压水室起始流道将出现所谓的倒流，直接流到泵的出口，而其余液 流仍然经压水室排出。但是，流道内压力变化趋势却有所不同，在流道的开始部分压力逆倒 流方向上升，然后再沿流道逐渐下降。
[0010] 根据核电站系统要求，核电用泵有时要满足三个运行工况点，以达到使用要求。这 就需要在原有的设计基础上进行优化设计实现泵运行条件下径向力最小，保证机组稳定运 行，延长使用寿命。
[0011] 核电用泵大多采用环形压出室，理想环形压出室是对称结构无径向力的，但是实 际压出室有一个出口，使得实际流体在压出室中径向压力不对称产生径向力。径向力的方 向为坚直向下，产生的径向力会引起振动噪声，影响泵机组运行的寿命。
【发明内容】
[0012] 为了消环形压出室的径向力，提高运行寿命，本发明提供了一种基于径向力核电 用泵环形泵壳水力设计方法，利用叶轮中心线与环形压出室中心线偏心产生的压差平衡消 除由环形压出室本身结构引起的绝大部分径向力，误差不超过±10%。
[0013] 本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0014] 一种基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于，
[0015] 叶轮中心线向下偏离环形压出室中心线设置，设偏心为A，利用偏心所形成的压 力来平衡与出口相对位置处的径向压力；
[0016] 定义：环形泵壳出口两侧因叶轮偏心设置所导致的在开口两侧产生的径向压力区 域分别为偏心内壁区域面积SpS2，与环形泵壳出口相对的内壁的区域的面积为S3,SpS2两 处的压力在水平方向的分力相互抵消，合力的方向坚直向上，用以平衡S3处的压力；设：分 别用面积SpS2、S3近似表示三处区域的在坚直方向上的受力；
[0017] 即 0? 9S3 彡SJS1 彡I.IS3 (1)
[0018] S3区域的坚直向下的压力为：
[0019] S3 = ? (R2-r2)X0/180。-2X1/2XA?r?sin(180。- 0-a) (2)
[0020]SpS2区域的坚直向上的合力为：
[0021]
【权利要求】
1. 一种基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于， 叶轮中心线向下偏离环形压出室中心线设置，设偏心为Λ，利用偏心所形成的压力来 平衡与出口相对位置处的径向压力； 定义：环形泵壳出口两侧因叶轮偏心设置所导致的在开口两侧产生的径向压力区域分 别为偏心内壁区域面积SpS2，与环形泵壳出口相对的内壁的区域的面积为S3,SpS2两处的 压力在水平方向的分力相互抵消，合力的方向坚直向上，用以平衡S3处的压力；设：分别用 面积SpS2、S3近似表示三处区域的在坚直方向上的受力； 即 0· 9S3 彡SJS1 彡I.IS3 (1) S3区域的坚直向下的压力为： S3= JI· (R2-!·2) X Θ/180。-2X1/2X Λ · r · sin(180。-Θ-a ) (2) SpS2区域的坚直向上的合力为：
式中： R--环形压出室内径；r-导叶外径； Θ--环形压出室出口所对应的圆心角的一半； Δ--叶轮中心线偏离环形压出室中心线的值； a、β、Y-中间变量，sina=sin0XA/r，siny=Δ/r，β=180。_2γ; 使所述偏心△满足关系式a)。
2. 根据权利要求1所述的基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于， 选取从小到大的三个运行工况点：（Q1,H1)、（Q2,H2)、（Q3,H3)，且以工况点（Q2,H2)为最 优工况点； 最优工况点（Q2,H2)下： S3区域的坚直向下的压力、SpS2区域的坚直向上的合力分别为式（1)、式（2)，偏心Λ满足式（1); 在非最优工况下（Q1,H1)、（Q3,H3)工况条件下，叶轮的偏心分别为：
为了减少环形压出室出口结构对应的缺少的部分引起的流动紊乱所造成的损失，利用 叶轮中心线偏离环形压出室中心线使得流道减小来与抵消流动紊乱的损失，定义扩散段出 口对应的偏心区域的面积为S4，扩散段进口对应的缺少部分面积S5 ;并近似用面积S4、S5 分别表示扩散段出口对应的偏心区域的压强、扩散段进口对应的泵壳面积处的压强， 艮P:S4 =S5 (6) S4、S5两处的压强分别为： S4 = 2XΔXrXsinδ(7)
式中： R--环形压出室内径；r-导叶外径； Θ--环形压出室出口所对应的圆心角的一半； Δ--叶轮中心线偏离环形压出室中心线的值； a、β、Y-中间变量，sina=sin0XA/r，siny=Δ/r，β=180。_2γ; δ-中间变量，SinS= ; T ζ=Dd - 2XL*tanV，其中：Ψ为扩散角，取值范围为Ψ = 8°?12° ;L为扩散管 高度；Dd为排出口径； 三个运行工况（Q1,H1)、（Q2,H2)、（Q3,H3)条件下的叶轮中心线偏离环形泵壳的环形压 出室中心线的值△'，应满足式（1)、（4)、（5)所确定的偏心的并集与式（6)所确定的偏心 的交集。
3. 根据权利要求2所述的基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于， 所述扩散角Ψ的取值范围为8°?12°。
4. 根据权利要求2所述的基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于， 排出口径Dd=0.5H，其中Q为流量。 V3600
5. 根据权利要求2所述的基于径向力核电用泵环形泵壳水力设计方法，其特征在于， 扩散管高度L= 0. 6Dd。
【文档编号】F04D29/40GK104314870SQ201410441733
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】王秀礼, 尹庭赟, 袁寿其 申请人:江苏大学