專利名稱：氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種葉片出口的前蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程大于后蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程時(shí)，葉輪出口前后蓋板有限葉片理論揚(yáng)程相等的氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
80年代以來(lái)，原子能反應(yīng)堆的安全問(wèn)題，引起了人們的高度重視，從而推動(dòng)了氣液兩相泵的研究。當(dāng)反應(yīng)堆內(nèi)出現(xiàn)冷卻液泄漏時(shí)，隨著冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓力的降低，冷卻液開始沸騰，從而使冷卻泵在氣液兩相流狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)。目前對(duì)氣液兩相流泵尚沒(méi)有成熟的設(shè)計(jì)方法，還不能想清水泵那樣根據(jù)給定的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等參數(shù)即能較可靠地進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)氣液兩相流泵的主要要求是提高其所能輸送的介質(zhì)的氣液混合比。傳統(tǒng)葉輪設(shè)計(jì)方法預(yù)先假定，為了避免有害的流動(dòng)，對(duì)葉輪內(nèi)所有的流線來(lái)說(shuō)，理論揚(yáng)程應(yīng)為同一數(shù)值。同時(shí)認(rèn)為，在整個(gè)出口邊上出口安放角的值保持不變。每一條流線的靜矩不相同，由此可以得出，修正系數(shù)也是變化的，每一條流線的速度也不同，也就是說(shuō)，出口邊對(duì)轉(zhuǎn)軸而言，并不是如假設(shè)那樣平行的。改變給定流線的靜矩，也就是改變流線的長(zhǎng)度，可以在某種程度上修正減功系數(shù)，但此時(shí)的可能性是有限的。一般應(yīng)將位于葉輪葉片前壁的流線予以加長(zhǎng)，但這對(duì)葉輪進(jìn)口葉間流道形狀有不良影響。改變修正系數(shù)，雖然也可以達(dá)到恒定的速度，但這時(shí)必須改變?nèi)~片出口安放角沿葉片出口邊不變的假定，這樣確定出口邊位置比較困難。當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)\ < 250時(shí)，出口邊一般是一根直線，如果爭(zhēng)取使出口邊與流線近似成直角，則應(yīng)使出口邊成凹狀。當(dāng)比轉(zhuǎn)數(shù)ns>250時(shí)，為了在某種程度上改善葉片間流道的形狀，可將流線相對(duì)于葉輪壁移動(dòng)，此時(shí)出口邊就不再能保持與轉(zhuǎn)軸平行，即采取了將葉輪流出邊傾斜布置的方法。隨著比轉(zhuǎn)數(shù)的增大，傾角也增大，這時(shí)采用不等的葉輪出口直徑，即后蓋板的葉輪出口直徑小于前蓋板葉輪出口直徑，可以減小葉輪出口的回流區(qū)，降低水動(dòng)力損失，使特性曲線在小流量區(qū)揚(yáng)程升高。由于葉輪中不同流線的靜矩、曲率半徑、出口邊位置的不同，會(huì)導(dǎo)致按無(wú)窮葉片數(shù)等揚(yáng)程設(shè)計(jì)的葉輪，在葉片出口處的揚(yáng)程(Ht)不等，造成出口邊流動(dòng)紊亂，降低泵效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有核主泵葉輪設(shè)計(jì)方法的不足，本發(fā)明提供一種氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉輪可以對(duì)葉輪的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到核主泵的設(shè)計(jì)性能曲線與要求的性能曲線重合的效果。本發(fā)明首次提出了氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)方法的研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)離心泵水力設(shè)計(jì)方法會(huì)導(dǎo)致葉輪葉片出口處流動(dòng)不理想，本發(fā)明首次采用不等揚(yáng)程法，并考慮了失水事故時(shí)核主泵輸送氣液兩相介質(zhì)，進(jìn)行核主泵水力設(shè)計(jì)，提高核主泵的氣液混輸輸送能力，確保核反應(yīng)堆的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
本發(fā)明的技術(shù)方案:由于葉輪中每條流線是有差異的，這個(gè)差異將導(dǎo)致葉輪中各流線的滑移系數(shù)U不等，而認(rèn)為無(wú)限葉片理論揚(yáng)程Htoo相等，實(shí)際葉輪中各流線的有限葉片理論揚(yáng)程Ht是不等的。在離心泵水力設(shè)計(jì)時(shí)，葉輪中各流線有限葉片理論揚(yáng)程Ht相等時(shí)所產(chǎn)生的水力損失最小，這樣的水力設(shè)計(jì)才是最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果。基于上述設(shè)計(jì)理論，本發(fā)明從無(wú)限葉片理論揚(yáng)程Ht 不等的前提出發(fā)，通過(guò)修改葉輪幾何參數(shù)，以調(diào)整滑移系數(shù)，使有限葉片理論揚(yáng)程Ht相等，達(dá)到采用不等揚(yáng)程方法對(duì)核主泵葉輪進(jìn)行水力設(shè)計(jì)的目的。不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)基本方法是:由有限葉片數(shù)理論揚(yáng)程Ht基本公式可知，Ht受D1、D2、P 1、P 2、n等參數(shù)影響，但這是在未考慮離心力作用使得液體沿前蓋板流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生脫流現(xiàn)象時(shí)得出的。若考慮流體粘性、前蓋板的脫流現(xiàn)象以及葉片出口的射流-尾跡結(jié)構(gòu)等因素，則Ht還將受bp b2、ns等幾何參數(shù)的影響。Ht與Htoo的關(guān)系是通過(guò)滑移系數(shù)建立起來(lái)的，但現(xiàn)有離心泵滑移系數(shù)公式均是按軸面流道中線(即平均值)進(jìn)行計(jì)算，未考慮各流線的實(shí)際流動(dòng)不同所產(chǎn)生的影響。因此，需首先建立一個(gè)可以對(duì)各流線的滑移系數(shù)分別計(jì)算的公式。 實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，將離心泵葉輪分成2 3條流線進(jìn)行設(shè)計(jì)，本發(fā)明中采用葉片出口處的無(wú)窮葉片數(shù)理論揚(yáng)程直線形分布，中流線揚(yáng)程為前后蓋板揚(yáng)程的平均值。因此，在下面的討論中僅計(jì)算前后蓋板揚(yáng)程。綜合比較現(xiàn)有滑移系數(shù)公式，由于Stirling公式考慮了粘性的影響，因此建立滑移系數(shù)公式是在Stirling公式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，考慮前后蓋板滑移系數(shù)不同，則有Stirling(1983年)提出如下公式
權(quán)利要求
1.氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，根據(jù)對(duì)核主泵性能滿足最優(yōu)效率工況的流量Qbep，最優(yōu)效率工況的揚(yáng)程Hbep，葉輪轉(zhuǎn)速n的要求。其特征是在葉片出口的前蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程大于后蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程時(shí)，葉輪出口前蓋板有限葉片理論揚(yáng)程與后蓋板有限葉片理論揚(yáng)程相等，并考慮了失水事故時(shí)核主泵輸送氣液兩相介質(zhì)，并通過(guò)以下公式和約束條件來(lái)調(diào)節(jié)葉輪主要幾何參數(shù)，以滿足離心泵葉輪設(shè)計(jì)要求。
2.如權(quán)利要求書I所述的氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，其特征是在Hta.> Htboo時(shí)，Hta = Htb葉輪中所產(chǎn)生的水力損失最小，這樣的水力設(shè)計(jì)才是最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果。`
3.如權(quán)利要求1所述的氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，其特征是:根據(jù)設(shè)計(jì)要求所要達(dá)到的性能曲線形狀，將02在25° 60°之間調(diào)整，當(dāng)曲線陡降時(shí)@2取小值，當(dāng)曲線平坦時(shí)@2取大值。為提高核主泵葉輪的氣液混輸能力，應(yīng)選取盡可能大的出口安放角。
4.如權(quán)利要求1所述的氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，其特征是:葉輪葉片進(jìn)口安放角P1按最優(yōu)效率點(diǎn)無(wú)脫流，在30° 40°之間調(diào)整。
5.如權(quán)利要求1所述的氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法，葉片包角和葉片數(shù)可以根據(jù)鑄造工藝要求選擇確定，在保證性能的同時(shí)，選擇更多的葉片數(shù)，通常取葉片數(shù)為4 7個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流核主泵葉輪不等揚(yáng)程水力設(shè)計(jì)方法。其特征是在葉片出口的前蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程大于后蓋板的無(wú)限葉片理論揚(yáng)程時(shí)，葉輪出口前蓋板有限葉片理論揚(yáng)程與后蓋板有限葉片理論揚(yáng)程相等，在計(jì)算無(wú)限葉片理論揚(yáng)程時(shí)考慮了氣液混合介質(zhì)，并通過(guò)一定的約束條件來(lái)調(diào)節(jié)葉輪主要幾何參數(shù)，以滿足核主泵葉輪設(shè)計(jì)要求。用本發(fā)明設(shè)計(jì)的葉輪能夠提高核主泵葉輪的氣液混輸能力。因此，可保證失水事故工況下核主泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
文檔編號(hào)F04D29/22GK103104547SQ20131007241
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者朱榮生, 付強(qiáng), 龍?jiān)? 王秀禮 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)