保溫泵
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高溫熔鹽泵
由于熔鹽具有良好的蓄熱、導熱能力以及穩定的化學(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(zhù)巨大的應用潛力。熔鹽泵是輸送高溫熔鹽的關(guān)鍵設備,運行溫度可高達700~1000℃,且熔鹽密度高、粘度大,這些均給熔鹽泵的設計和穩定運行帶來(lái)了巨大挑戰。因此,高溫熔鹽泵的研發(fā)已成為當前水力機械領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。為了探索高溫熔鹽泵的設計和分析方法,本文采用理論分析、數值計算與實(shí)驗測試相結合的方法對立式高溫熔鹽泵的過(guò)流部件進(jìn)行了水力設計,并從靜力學(xué)強度和動(dòng)力學(xué)特性?xún)蓚€(gè)方面對其運行可靠性進(jìn)行了分析和研究。本文研究的主要內容和成果有:
(1)概述了高溫熔鹽泵在不同領(lǐng)域的應用以及面臨的主要問(wèn)題;回顧了離心泵數值模擬和流熱固耦合的研究進(jìn)展;介紹了流體計算和流熱固耦合研究的理論基礎。
(2)根據高溫熔鹽泵的使用需求進(jìn)行了結構設計,并對葉輪、導葉和環(huán)形蝸室進(jìn)行了水力設計,給出了過(guò)流部件主要尺寸的確定方法和計算過(guò)程;結合樣機實(shí)驗對設計方案的水力性能進(jìn)行驗證,實(shí)驗結果表明設計方案合理,滿(mǎn)足設計要求。
(3)對高溫熔鹽泵進(jìn)行全流場(chǎng)定常數值模擬,計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;根據數值計算結果,對高溫熔鹽泵的內部流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。結果表明:熔鹽泵在輸送水介質(zhì)時(shí),運行效率會(huì )略高于輸送熔鹽介質(zhì)的效率,設計點(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(zhù)低于熔鹽介質(zhì)的靜壓,其中設計工況水的靜壓為0.35MPa,僅為熔鹽靜壓的53.8%;在大部分運行工況下,導葉內均有一定的漩渦和回流現象出現;環(huán)形蝸室出水管的布置會(huì )對熔鹽泵內壓力分布產(chǎn)生明顯影響,靠近出水管的區域壓力會(huì )低于其它區域;小流量時(shí)葉輪內出現較大的漩渦,隨著(zhù)流量的增加,漩渦會(huì )逐漸消失。
(4)對高溫熔鹽泵啟動(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,對溫度分布進(jìn)行了分析,結果表明: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 )增加泵內的溫差,當溫升速率由8℃/s升高到12℃/s時(shí),軸向和徑向溫差均增加2℃;隨著(zhù)流量的減小,熔鹽泵內部溫差將會(huì )顯著(zhù)升高,流量由1.2Qd減小到0.3Qd時(shí),泵內徑向平面溫度差由5℃增加到20℃,軸向則由11℃增加到53℃;在熔鹽泵設計時(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)基于流熱固耦合對葉輪在不同溫升條件下的應力大小進(jìn)行了計算和分析,結果表明:1.0Qd下,以10℃/s速率進(jìn)行溫升時(shí),由溫差導致的熱應力為5.08MPa,僅為機械應力的37.6%,介質(zhì)流固耦合產(chǎn)生的機械應力是溫升過(guò)程葉輪承受的主要載荷;溫升過(guò)程機械應力和熱應力的波動(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力,流量由0.3Qd增加到1.2Qd時(shí),機械應力和熱應力的降幅分別為38.31%和80.19%,熱應力的降幅更大;溫升速率的提高會(huì )導致熱應力明顯提高,而機械應力變化較??;基于A(yíng)SME標準對葉輪在1.0Qd,溫升速率為10℃/s時(shí)的結構強度進(jìn)行了校核,結果表明葉輪強度合格。
(6)針對熔鹽泵高溫的運行環(huán)境,對結構體的模態(tài)進(jìn)行了多相位計算和分析,結果表明:熔鹽泵轉動(dòng)和靜止部件的前6階固有頻率均遠離泵內主要的流動(dòng)誘導激勵頻率;不同相位下,熔鹽泵各階固有頻率變化較小,轉動(dòng)部件和靜止部件固有頻率的變化分別為0.5%和0.7%;預應力狀態(tài)下模態(tài)的固有頻率相對無(wú)預應力時(shí)有所升高,且轉動(dòng)部件的固有頻率增幅更高,轉動(dòng)部件和靜止部件增幅分別為1.35%和0.74%。
(7)基于Workbench對轉子系統的臨界轉速進(jìn)行了計算,并研究了軸向和徑向支撐剛度對轉子系統臨界轉速的影響,計算結果表明軸向和徑向支撐剛度分別增加到7×106N/m和1010N/m時(shí),臨界轉速不再增加,此時(shí)的支撐可以等效為剛性;根據轉子系統的安全工作范圍確定了轉子徑向和軸向支撐剛度的取值范圍。
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