1000MW核電站離心式上充泵水力設計與結構可靠性研究.pdf

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

2、有流量小、揚程高、轉速高、汽蝕要求高、配套電機功率大的特點，核電規(guī)范要求該泵必須要高精度地達到5個工況點的性能，同時還要滿足熱沖擊和抗震要求，技術難度大。目前國內1000MW核電站離心式上充泵全部進口，國產化應用業(yè)績仍為空白。業(yè)內公認制約上充泵國產化的最大難題是水力模型樣機的研發(fā)。另外，上充泵的結構設計、抗熱沖擊性能、抗震性能和轉子扭振等結構可靠性研究也是制約上充泵國產化的重要因素。
　　 本文通過對離心式上充泵水力模型開發(fā)、水

3、力性能數值模擬、4級水力模型樣機的性能和汽蝕試驗、轉子動力扭振計算、熱固耦合計算以及抗震計算等多方面研究，旨在解決制約上充泵國產化的水力設計和結構可靠性等方面的技術難題，為離心式上充泵國產化提供理論基礎。本文主要研究工作和創(chuàng)造性成果有：
　　 1.全面系統(tǒng)地分析了國內外高溫高壓雙殼體多級離心泵研究進展，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構上的特殊設計要求。在此基礎上，針對上充泵水

4、力設計、結構設計、轉子系統(tǒng)臨界轉速計算、熱固耦合計算、抗震計算等相關理論發(fā)展進行了較全面深入的分析，制定了最終上充泵的結構設計方案。
　　 2.對上充泵吸水室8種設計方案內部流場進行了定常流動的數值模擬對比研究。采用RANS雷諾時均方程進行數值求解，以RNG k-ε湍流模型來封閉雷諾應力項，應用SIMPLEC算法進行不可壓縮流動壓力場的求解，實現了對8種設計方案下葉輪內部流場的三維粘性湍流數值模擬。通過對設計流量工況及非設計流量

5、工況下8種方案吸水室內部流動速度、壓力、湍動能分布的對比分析，發(fā)現：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構對水力損失影響不大，計算結果表明，良好的直形環(huán)形空間甚至比弧形結構水力損失小。通過對8種吸水室設計方案的分析和評估，為最終進行上充泵首級葉輪優(yōu)化水力設計提供理論基礎。
　　 3.首次采用多級離心泵多工況水力設計方法，對上充泵首級葉輪、次級葉輪進行了定常流動和非定常流動的數值模擬對比研究。其中首級葉

6、輪采用8種設計方案，次級葉輪采用8種設計方案。結果表明：首級葉輪的汽蝕性能受葉輪幾何結構參數影響較大，另外，導葉進口速度和壓力沿周向分布呈明顯的周期性波動特征，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構形式有很大關系，進一步證實了上充泵內從葉輪到導葉整個流場的強非對稱流動特征。通過不同設計方案及不同流量工況下的數值模擬對比分析，揭示了葉輪和導葉之間的動靜干涉對流場的影響。通過對多個設計方案不同流量工況下的數值模擬，數值

7、預測了離心泵的性能曲線。對上充泵而言，因其要求水力性能滿足多個工況點，而常規(guī)水力設計方法又不能達到設計要求，因此多工況水力設計方法很好地解決了這一難題，為上充泵水力設計提供了一種新途徑。
　　 4.為驗證上充泵的水力設計，制造了4級上充泵樣機，通過外特性實驗對上充泵的水力性能試驗和汽蝕性能試驗研究，并與數值計算的結果進行對比，證明了水力設計的正確性，以及數值模擬的準確性和性能預測的可行性。4級樣機水力試驗結果經相似換算后與所要求

8、性能參數進行對比結果表明：所要求的5個工況點水力性能達到要求，最大流量工況點發(fā)生最大偏差，為4.7％。4級樣機利用皮帶輪將轉速增加到4500 r/min，進行了汽蝕性能試驗，汽蝕性能達到設計要求。在此基礎上，進行了12級實型上充泵水力性能的數值計算。
　　 5.首次對上充泵進行了轉子系統(tǒng)臨界轉速分析。分析計算了幾種不同因素對上充泵轉子部件固有頻率（可轉化為臨界轉速）的影響，然后綜合各種條件計算了轉子部件的臨界轉速。經計算，轉子部

9、件在彈性支承下的一階固有頻率為253.405Hz，即15204.3 r/min，而上充泵的實際額定轉速為4500r/rain，表明上充泵的結構動力學設計是滿足設計要求的。另外，支承剛度對轉子部件臨界轉速的影響比較大，準確地簡化支承，合理地確定支承的剛度、阻尼矩陣是計算臨界轉速必不可少的前提。
　　 6.首次對上充泵外殼體進行了壓力應力分析、瞬態(tài)熱分析，熱應力分析和間接法耦合分析，給出應力疊加法和間接耦合法的應力評定結果與比較。壓

10、力應力強度的最大值發(fā)生在外殼體端部的內壁節(jié)點1849上，總應力強度為42.91MPa。間接耦合法求解的組合應力強度的最大值也發(fā)生在外殼體端部的內壁節(jié)點1849上，組合的總應力強度為42.83MPa。應力疊加法與間接耦合法關于PL+Pb+Q≤3Sm的評定結果基本一致。
　　 7.首次對上充泵進行了抗震分析。采用ANSYS有限元軟件，針對國內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，并對上

11、充泵在OBE和SSE地震荷載作用下進行了抗震性能計算分析，計算結果表明：(1)在模態(tài)分析中看到上充泵的基頻為655.138 Hz，遠大于33 Hz，表明上充泵整體為剛性結構。另外，第一階振型沿水平方向，顯示地震作用下的位移響應以水平方向為主。表明在設計階段考慮增加上充泵水平方向的強度，可以有效減弱地震作用對上充泵的影響。(2)在OBE地震載荷、自重、溫度同時作用下，上充泵最大應力響應發(fā)生在外殼體中部，為69.13 MPa，按第三強度理論

12、校核，在許用值內，滿足核電廠抗震設計規(guī)范二級部件要求；在SSE地震載荷、自重、溫度同時作用下，上充泵最大應力響應發(fā)生在外殼體中部，為103.47MPa，按第三強度理論校核，在許用值內，滿足核電廠抗震設計規(guī)范二級部件要求，因此上充泵在OBE和SSE地震載荷作用下，能夠保證結構完整性和可運行性。(3)計算得到位移最大響應發(fā)生在外殼體中部，為0.345mm，遠小于靜止部件和轉動部件之間的間隙1mm，說明雙層殼體離心式上充泵在結構上滿足抗震要求