高溫熔鹽泵設(shè)計(jì)及可靠性分析.pdf

1、由于熔鹽具有良好的蓄熱、導(dǎo)熱能力以及穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使得熔鹽在未來(lái)先進(jìn)核能和光熱電站中有著巨大的應(yīng)用潛力。熔鹽泵是輸送高溫熔鹽的關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行溫度可高達(dá)700～1000℃，且熔鹽密度高、粘度大，這些均給熔鹽泵的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。因此，高溫熔鹽泵的研發(fā)已成為當(dāng)前水力機(jī)械領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。為了探索高溫熔鹽泵的設(shè)計(jì)和分析方法，本文采用理論分析、數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)立式高溫熔鹽泵的過(guò)流部件進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)，并從靜力學(xué)強(qiáng)度

2、和動(dòng)力學(xué)特性兩個(gè)方面對(duì)其運(yùn)行可靠性進(jìn)行了分析和研究。本文研究的主要內(nèi)容和成果有：
　　（1）概述了高溫熔鹽泵在不同領(lǐng)域的應(yīng)用以及面臨的主要問(wèn)題；回顧了離心泵數(shù)值模擬和流熱固耦合的研究進(jìn)展；介紹了流體計(jì)算和流熱固耦合研究的理論基礎(chǔ)。
　?。?）根據(jù)高溫熔鹽泵的使用需求進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)葉輪、導(dǎo)葉和環(huán)形蝸室進(jìn)行了水力設(shè)計(jì)，給出了過(guò)流部件主要尺寸的確定方法和計(jì)算過(guò)程；結(jié)合樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的水力性能進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案

3、合理，滿足設(shè)計(jì)要求。
　　（3）對(duì)高溫熔鹽泵進(jìn)行全流場(chǎng)定常數(shù)值模擬，計(jì)算了高溫熔鹽泵輸送水和熔鹽兩種介質(zhì)時(shí)的水力性能；根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)高溫熔鹽泵的內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：熔鹽泵在輸送水介質(zhì)時(shí)，運(yùn)行效率會(huì)略高于輸送熔鹽介質(zhì)的效率，設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)兩者相差0.96個(gè)百分點(diǎn)；相同工況時(shí)，水的靜壓要顯著低于熔鹽介質(zhì)的靜壓，其中設(shè)計(jì)工況水的最大靜壓為0.35MPa，僅為熔鹽靜壓的53.8％；在大部分運(yùn)行工況下，導(dǎo)葉內(nèi)均有一定的漩渦和回

4、流現(xiàn)象出現(xiàn)；環(huán)形蝸室出水管的布置會(huì)對(duì)熔鹽泵內(nèi)壓力分布產(chǎn)生明顯影響，靠近出水管的區(qū)域壓力會(huì)低于其它區(qū)域；小流量時(shí)葉輪內(nèi)出現(xiàn)較大的漩渦，隨著流量的增加，漩渦會(huì)逐漸消失。
　　（4）對(duì)高溫熔鹽泵啟動(dòng)時(shí)溫升過(guò)程的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算，以葉輪中心的徑向平面和出口管中心的軸向平面作為分析截面，對(duì)溫度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：溫升過(guò)程中，不同時(shí)刻下軸向平面和徑向平面的溫差基本保持不變，且軸向平面的溫差高于徑向平面的溫差；溫升速率的提高會(huì)增加泵內(nèi)

5、的溫差，當(dāng)溫升速率由8℃/s升高到12℃/s時(shí)，軸向和徑向溫差均增加2℃；隨著流量的減小，熔鹽泵內(nèi)部溫差將會(huì)顯著升高，流量由1.2Qd減小到0.3Qd時(shí)，泵內(nèi)徑向平面溫度差由5℃增加到20℃，軸向則由11℃增加到53℃；在熔鹽泵設(shè)計(jì)時(shí)，其軸向要留出較大的熱變形余量，而溫升過(guò)程要盡可能的采取較大的溫升流量以保證各部分不致產(chǎn)生過(guò)大的溫差。
　　（5）基于流熱固耦合對(duì)葉輪在不同溫升條件下的應(yīng)力大小進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明：1.0Qd下

6、，以10℃/s速率進(jìn)行溫升時(shí)，由溫差導(dǎo)致的熱應(yīng)力為5.08MPa，僅為機(jī)械應(yīng)力的37.6%，介質(zhì)流固耦合產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力是溫升過(guò)程葉輪承受的主要載荷；溫升過(guò)程機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的波動(dòng)較小，不同時(shí)刻兩者的波動(dòng)分別為0.6%和1.4%；溫升流量的增加有利于降低葉輪應(yīng)力，流量由0.3Qd增加到1.2Qd時(shí)，機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的降幅分別為38.31%和80.19%，熱應(yīng)力的降幅更大；溫升速率的提高會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力明顯提高，而機(jī)械應(yīng)力變化較?。换贏SME

7、標(biāo)準(zhǔn)對(duì)葉輪在1.0Qd，溫升速率為10℃/s時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行了校核，結(jié)果表明葉輪強(qiáng)度合格。
　?。?）針對(duì)熔鹽泵高溫的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)體的模態(tài)進(jìn)行了多相位計(jì)算和分析，結(jié)果表明：熔鹽泵轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止部件的前6階固有頻率均遠(yuǎn)離泵內(nèi)主要的流動(dòng)誘導(dǎo)激勵(lì)頻率；不同相位下，熔鹽泵各階固有頻率變化較小，轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件固有頻率的最大變化分別為0.5%和0.7%；預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下模態(tài)的固有頻率相對(duì)無(wú)預(yù)應(yīng)力時(shí)有所升高，且轉(zhuǎn)動(dòng)部件的固有頻率增幅更高，轉(zhuǎn)動(dòng)部