半开式复合叶轮多级离心泵设计与性能预测方法研究

论文摘要

AP1000化容补水泵等特殊低比转速多级离心泵在性能上不但具有小流量高扬程的特点,还需保证从关死点到最大流量的多个工况的性能同时达到使用要求。同时,结构的紧凑性,以及小流量不稳定和大流量过载等问题也是低比转速泵设计需要重点关注的问题。本文为形成结构紧凑、稳定性好、满足多工况性能要求的低比转速多级离心泵设计方法,以AP1000化容补水泵为实例,研究半开式多平衡孔复合叶轮和涡形双流道导叶的性能,建立其三维流场模拟和性能预测方法,基于计算流体动力学(CFD)技术改进设计了满足多工况性能要求的水力模型。探讨了低比转速多级离心泵半开式叶轮、复合叶轮和导叶的设计原理和方法,给出关键参数的确定方法,分析了半开式直叶片复合叶轮和涡形双流道结构的设计要点。给出了半开式叶轮离心泵全流道三维流动数值模拟方法,以单级半开式叶轮离心泵为模型,考虑叶轮前后间隙、平衡孔、口环间隙等结构,分析不同建模形式、湍流模式、离散方法对性能曲线预测计算精度的影响,完善和验证了基于三维流动模拟的性能预测方法。为满足AP1000化容补水泵四个特殊工况点的性能和结构紧凑型要求,设计了半开式多平衡孔复合直叶片叶轮和涡形流道式导叶结构,建立了包含叶轮、导叶、叶轮前后间隙、密封口环和平衡孔的三维全流道实体模型。基于本文验证的流场三维数值模拟方法,预测全工况下的水力性能,分析了决定低比转速多级离心泵各工况性能的关键参数。基于模拟结果给出了改善低比转速多级离心泵性能的结构或设计建议,并改进了过流部件结构,使AP1000化容补水泵模型满足多工况运行可靠和大流量不过载的设计要求。本文给出的多级离心泵叶轮与导叶的设计方法,以及相应的三维流动数值模拟和性能预测方法,水力性能上满足了多工况运行的要求,对低比转速多级离心泵研究与核电系统补水泵研发具有一定意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源和研究意义
• 1.2 低比转速泵的研究现状
• 1.2.1 低比转速离心泵国内外技术现状
• 1.2.2 低比转速离心泵水力设计方法
• 1.2.3 低比转速多级离心泵的特性
• 1.3 复合叶轮的设计及研究现状
• 1.4 水力性能数值预测方法的研究现状
• 1.5 本文的研究目标和内容
• 第2章 低比转速多级泵过流部件的设计方法
• 2.1 引言
• 2.2 半开式叶轮设计方法
• 2.2.1 叶轮进出口直径
• 2.2.2 叶轮进出口宽度
• 2.2.3 叶轮进出口角
• 2.2.4 叶片数和叶片包角
• 2.2.5 轴向间隙
• 2.3 复合叶轮设计方法
• 2.3.1 短叶片起始直径
• 2.3.2 叶片数的确定
• 2.4 导叶设计方法
• 2.4.1 主要参数
• 2.4.2 喉部面积
• 2.4.3 蜗形双流道导叶
• 2.5 小结
• 第3章 半开式叶轮离心泵性能预测方法验证
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟方法
• 3.2.1 计算流体域建模
• 3.2.2 网格划分方法
• 3.2.3 可动区域流动问题的求解
• 3.2.4 湍流模型
• 3.3 实例试验验证
• 3.3.1 半开式叶轮设计参数与试验性能
• 3.3.2 建模与数值模拟
• 3.3.3 旋转区域对预测精度的影响
• 3.3.4 数值方法对预测精度的影响
• 3.4 小结
• 第4章 低比转速多级离心泵水力模型设计
• 4.1 引言
• 4.2 设计模型要求
• 4.2.1 整机模型结构和参数
• 4.2.2 单级叶轮水力模型性能要求
• 4.3 水力模型初步设计
• 4.3.1 叶轮设计结果
• 4.3.2 导叶设计结果
• 4.3.3 轴向力平衡机构
• 4.4 小结
• 第5章 多级离心泵性能预测与改进设计
• 5.1 引言
• 5.2 初步设计模型的数值计算
• 5.2.1 三维建模
• 5.2.2 网格的划分
• 5.2.3 数值模拟条件
• 5.2.4 计算结果分析
• 5.3 半开式复合叶轮参数对水力性能的影响
• 5.3.1 叶轮进出口宽度
• 5.3.2 叶轮进口直径
• 5.3.3 复合短叶片
• 5.3.4 叶轮盖板形式
• 5.4 导叶参数对模型性能的影响
• 5.4.1 导叶结构形式
• 5.4.2 导叶基圆直径
• 5.4.3 导叶进口宽度
• 5.4.4 导叶喉部高度
• 5.5 最终设计模型
• 5.6 小结
• 第6章 总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介