一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102207101A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102207101A(43)申请公布日2011.10.05(21)申请号201110148516.7(22)申请日2011.05.18(71)申请人大连理工大学地址116024辽宁省大连市甘井子区凌工路2号(72)发明人谢蓉王晓放单玉姣沈飞叶钟葛存飞(74)专利代理机构大连理工大学专利中心21200代理人侯明远(51)Int.Cl.F04D29/22(2006.01)权利要求书1页说明书3页附图3页(54)发明名称一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮(57)摘要一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮，属于泵设计与制造技术领域。其特征是基于CFD的核主泵模化设计方法分为四个步骤，步骤一是根据百万千瓦级核主泵的设计参数，选择一个与预设计泵叶轮满足相似条件的模型泵叶轮；步骤二是利用传统模化设计公式计算尺寸变换系数，在一定范围内选取3～4个不同尺寸系数以变换模型泵叶轮；步骤三是对步骤二中得到的3～4种泵叶轮分别进行数值模拟，对尺寸系数与扬程的关系进行对数拟合，得到满足要求的核主泵叶轮；步骤四是对步骤三中得到的核主泵叶轮进行优化，完成设计。本发明的效果和益处是解决了高温高压大流量百万千瓦级核主泵的设计问题，设计过程简洁高效可控。CN1027ACCNN110220710102207107A权利要求书1/1页1.一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮，其特征包括以下步骤：步骤1、选择一个与预设计泵叶轮比转速相似的模型泵叶轮；符合要求的模型泵叶轮经过以下两个步骤得到；(1)选择与预设计泵叶轮比转速相近的成熟产品泵叶轮作为初始模型；(2)基于遗传算法，以效率为目标函数优化初始模型泵叶轮，优化过程采用Numeca软件中的Design3D模块实现，优化后叶轮作为最终模型泵叶轮；步骤2、利用传统模化设计公式①计算尺寸变换系数λ0，并在(λ0-0.1)～(λ0+0.1)范围内选取3～4个不同尺寸系数λ1～λ4，根据这些尺寸系数分别变换模型泵叶轮得到3～4种泵叶轮；①①式中n是转速，H是扬程，带下标M是模型泵参数，不带下标M是设计参数；步骤3、百万千瓦级三代核主泵的工作条件是：温度达280～350℃，压力达15.1～17.5MPa，流量达17000～22000m3/h，利用Numeca软件中的Fine/Turbo模块，选取上述参数范围内的一组温度、压力、流量作为数值模拟的边界条件，对步骤2中得到的3～4种泵叶轮分别进行数值模拟，得到3～4个扬程H1～H4，对尺寸系数与扬程的关系进行对数拟合，再将要求的设计扬程代入拟合公式中即可得到精确的尺寸变换系数λ，最后将模型泵叶轮按照该尺寸系数λ变换就得到满足要求的核主泵叶轮；步骤4、为使步骤3中得到的核主泵叶轮性能达到最高，基于遗传算法，以效率作为目标函数，利用Design3D模块对其进行的优化，优化后叶轮水力效率达到93％以上，最终实现核主泵叶轮的设计。2.根据权利要求1所述的一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮，其特征在于：该百万千瓦级核主泵叶轮结构包括前盖板(1)、叶片(2)、后盖板(3)、轴(4)；叶片(2)进口部分前缘为圆头，倒圆半径为8～12mm，叶顶较叶根前弯10°～20°，出口部分后缘为钝头，叶顶较叶根后弯5°～20°；叶片厚度整体采用变厚度设计，厚度沿流向由不等厚逐渐变成等厚度，叶片进口到50％叶片长度处为变厚度，从50％叶片长度后到出口为等厚度；进口处沿叶高方向厚度逐渐减小，到叶顶处叶片厚度减少到叶根处厚度的40～50％，叶片最厚处为20～25mm，叶片数量为5～7个；前盖板(1)由一段圆弧旋转加厚而成，圆弧半径为390～420mm，后盖板(3)由一段圆弧接一段直线旋转加厚而成，圆弧半径为490～520mm，叶轮出口宽度为170～180mm。2CCNN110220710102207107A说明书1/3页一种基于CFD的核主泵模化设计方法及设计百万千瓦级核主泵叶轮技术领域[0001]本发明属于泵设计与制造技术领域，涉及一种基于CFD数值模拟模化设计的核主泵叶轮，应用于百万千瓦级核电站一回路的核主泵中驱动高温高压大流量放射性冷却剂循环，是核岛中唯一的动元件。背景技术[0002]在压水堆核电站中，一回路循环的工质水与核反应直接接触，吸收和传递大量的热量，使工质工作温度、工作压力很高，工作流量很大，还具有放射性，因此与之匹配的驱动冷却剂工质循环的核主泵具有高温高压大流量的特征，这一特征就是百万千瓦级核主泵的设计难点之一。另一方面，由于核反应堆的热量是由核主泵驱动一回路工质水循环带走，所以核主泵是核电站中最重要