用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板及其设计方法

摘要

本发明公开了一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板及其设计方法。该出口挡板包括半球壳体和圆柱壳体；所述半球壳体一体成型在圆柱壳体的上端；所述半球壳体的直径和圆柱壳体的直径相同；所述半球壳体上均匀开有若干第一通孔，所述第一通孔在半球壳体上沿轴线方向的投影排布为平行四边形；所述圆柱壳体的圆周方向均匀开有若干第二通孔。本发明的出口挡板结构简单，便于加工，整体呈一个结构，能够一体成型，应用方便；该方法基于大量分析计算得到了本挡板装置的参数计算公式，可以在短时间内确定最佳化的设计关键尺寸，减少非均匀流导致的流场不均对泵的不利影响，实现出口接管的出口流场均匀。

权利要求

1.一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板的设计方法，其特征在于，所述用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板包括半球壳体(1)和圆柱壳体(2)；所述半球壳体(1)一体成型在圆柱壳体(2)的上端；所述半球壳体(1)的直径和圆柱壳体(2)的直径相同；所述半球壳体(1)上均匀开有若干第一通孔(3)，所述第一通孔(3)在半球壳体(1)上沿轴线方向的投影的排布为平行四边形；所述圆柱壳体(2)的圆周方向均匀开有若干第二通孔(4)，所述第一通孔(3)的孔径和第二通孔(4)的孔径相同，均为d；

该设计方法具体为：

所述半球壳体(1)的直径为D2，第一通孔(3)的孔径为d，孔间距为L；根据流量系数K、径比系数ε和间距系数φ，建立三者的关系表，其中，0.6

将上述建立的关系表中的数据带入到公式(1)中，可以得到使得入流畸变系数最小的K、ε和φ的组合：式中，fη为入流畸变系数，系数越小，降旋效果越好；

根据公式(2)和公式(3)求得孔径d和孔间距L：

说明书

用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板及其设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及用于输送液体的蒸汽发生器类换热设备，尤其涉及一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板及其设计方法。

背景技术

[0002] 在泵站的实际运行过程中，由于蒸汽发生器内的流体波动较大，许多类似蒸汽发生器的换热装置与泵直接连接的结构引起的非均匀来流情况严重。这使得出口接管处的流场十分复杂，泵的水力性能大为降低，叶轮叶片受到的力的脉动作用大大加强。这也极大增加了疲劳断裂的风险。泵叶轮进口非均匀的流速，不仅会产生阵发性涡带，甚至导致泵性能的大幅下降，还会引起机组产生较大的振动和噪声，严重影响泵的安全稳定运行。因此，如何经济有效地降低入流畸变，改善流场情况，对于设备的节能降噪和安全运行都具有重要的实际意义和应用价值。

发明内容

[0003] 针对上述问题，提供一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板及其设计方法，解决了现有工程技术中蒸汽发生器出口流体严重不均匀的情况，降低对直接连接的相关叶片泵设备的水力和水动力特性产生的不利影响。例如，因非均匀入流而导致叶片疲劳断裂的时间的缩短，甚至大大减少叶片使役寿命等问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板，包括半球壳体和圆柱壳体；所述半球壳体一体成型在圆柱壳体的上端；所述半球壳体的直径和圆柱壳体的直径相同；所述半球壳体上均匀开有若干第一通孔，所述第一通孔在半球壳体上沿轴线方向的投影的排布为平行四边形；所述圆柱壳体的圆周方向均匀开有若干第二通孔。

[0005] 进一步地，所述第一通孔的孔径和第二通孔的孔径相同，均为d。

[0006] 进一步地，所述半球壳体和圆柱壳体的材质为奥氏体不锈钢、双相钢、镍基耐蚀合金或聚四氟乙烯。

[0007] 一种用于减少入流畸变的蒸汽发生器出口挡板的设计方法，具体为：

[0008] 所述半球壳体的直径为D2，第一通孔的孔径为d，孔间距为L；根据流量系数K、径比系数ε和间距系数φ，建立三者的关系表，其中，0.6

[0009] 将上述建立的关系表中的数据带入到公式(1)中，可以得到使得入流畸变系数最小的K、ε和φ的组合：

[0010]

[0011] 式中，fη为入流畸变系数，系数越小，降旋效果越好；

[0012] 根据公式(3)和公式(4)求得孔径d和孔间距L：

[0013]

[0014]

[0015] 本发明的有益效果：

[0016] 1、根据本发明的经验公式和设计方法，可在短时间内确定最佳化的设计关键尺寸，实现出口接管的出口流场均匀；

[0017] 2、本发明的出口挡板结构简单，便于加工，整体呈一个结构，能够一体成型，安装使用方便；

[0018] 3、采用半球壳体上均匀开有若干通孔，通孔在半球壳体上沿轴线方向的投影后的排布为平行四边形排布。该结构在正向流动时，可起到在流动阻力尽可能小的情况下降低涡旋流旋性的作用。

附图说明

[0019] 图1为本发明出口挡板的轴侧结构示意图；

[0020] 图2为本发明出口挡板的主视示意图；

[0021] 图3为本发明出口挡板的俯视示意图；

[0022] 图4为本发明出口挡板的仰视示意图；

[0023] 图5为本发明出口挡板的半球壳体上开孔排布方式示意图；

[0024] 图6为发明出口挡板应用于核主泵的结构示意图；

[0025] 图7为本发明实施例中不同挡板入流畸变度结果对比图；

[0026] 图中：半球壳体1、圆柱壳体2、第一通孔3、第二通孔4、蒸汽发生器下封头5、泵体6。

具体实施方式

[0027] 下面将结合附图对本发明进行详细阐述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

[0028] 如图1-5所示，本发明的出口挡板，包括半球壳体1和圆柱壳体2；所述半球壳体1一体成型在圆柱壳体2的上端；所述半球壳体1的直径和圆柱壳体2的直径相同；所述半球壳体1上均匀开有若干第一通孔3，所述第一通孔3在半球壳体1上沿轴向方向的投影的排布为平行四边形；所述圆柱壳体2的圆周方向均匀开有若干第二通孔4。

[0029] 所述半球壳体1的直径为D2，第一通孔3的孔径为d，孔间距为L；根据流量系数K、径比系数ε和间距系数φ，建立三者的关系表，其中，0.6

[0030] 将上述建立的关系表中的数据带入到公式(1)中，可以得到使得入流畸变系数最小的K、ε和φ的组合：

[0031]

[0032] 式中，fη为入流畸变系数，系数越小，降旋效果越好；

[0033] 根据公式(3)和公式(4)求得孔径d和孔间距L：

[0034]

[0035]

[0036] 如图6所示，为本发明优选实施例，即本发明应用于核主泵的结构示意图，图中蒸汽发生器下封头5的出口处安装有本发明，半球壳体1设置在蒸汽发生器下封头5内，圆柱壳体2的下端与泵体6的入口端相连。本发明出口挡板为一个完整的独立构件，包括半球壳体1和圆柱壳体2，所述半球壳体1一体成型在圆柱壳体2的上端；出口挡板的高度为710mm，圆柱壳体2内径与换热设备的出口接管内径D0相同，D1＝D0＝710mm；半球壳体1的直径为D2，第一通孔3的孔径为d，孔间距为L，半球形表面光滑，可以缓冲流体直接冲击产生的破坏力，且使流动阻力最小，半球的直径为D2＝355mm。

[0037] 根据设备要求和制造工艺，可选取以下出口挡板的几种参数的组合，如表一所示，流量要求标准工况，取流量系数K为1。

[0038] 表一：

[0039]流量系数 径比系数 间距系数
1.0 0.085 1.25
1.0 0.141 1.50

[0040] 将表一中的数据代入到经验公式(1)中得到表二，表二如下

[0041] 表二：

[0042]流量系数 径比系数 间距系数 (畸变系数)计算结果
1.0 0.085 1.25 0.854
1.0 0.141 1.25 0.893
1.0 0.085 1.50 0.863
1.0 0.141 1.50 0.874

[0043] 由表二可知，当径比系数为0.085，间距系数为1.25时，入流畸变系数最小，即孔径为30mm，孔间距为1.25mm时，入流畸变系数最小。

[0044] 如图7所示，对比了在相同工作条件下，采用无挡板、三角棱台挡板、环形排布挡板、及本发明平行四边形排布挡板的核主泵入口轴向速度的入流畸变度。从图中可看出，本发明优化的挡板使得核主泵入口处的轴向速度分布最为均匀，入流畸变度最小。优化后的挡板可有效减小核主泵入口处的入流畸变，该处的速度分布有了很大的改善。

[0045] 上述经验公式来源根据所得实验数据寻找规律，根据牛顿拟合原理拟合数据曲线而得，具体如下：

[0046] (1)实验数据：

[0047] 如图6所示，建立蒸汽发生器下封头、挡板和泵体组成的三维试验模型，将该试验模型导入到流体力学模拟软件中，提取挡板出口处的轴向速度数据，然后根据入流畸变度的公式(4)进行计算，通过入流畸变度这个指标来评价挡板的均流降旋特性。

[0048] 入流畸变度定义为轴向速度的方差与均值的比值。该比值反映了轴向速度偏离平均值的程度，即：

[0049]

[0050] 式中，fη为入流畸变度(畸变系数)；U为挡板出口处的平均速度(通过流体力学模拟软件获得)；Ui为挡板出口处的各网格单元的速度(通过流体力学模拟软件获得)；m为挡板出口处的网格单元数(通过流体力学模拟软件获得)。

[0051] 通过改变蒸汽发生器下封头上的流量和挡板上孔径和孔间距的数值，得到实验结果如下：

[0052] 表三：

[0053]试验编号 流量m3/s 孔径mm 孔间距mm 入流畸变度fη
1 4.96 30 75 0.854
2 4.96 50 125 0.893
3 4.96 30 90 0.863
4 4.96 50 150 0.874
5 5.95 30 75 0.859
6 5.95 50 125 0.909
7 5.95 30 90 0.879
8 5.95 50 150 0.891
9 3.97 30 75 0.835
10 3.97 50 125 0.873
11 3.97 30 90 0.844
12 3.97 50 150 0.855

[0054] (2)曲线拟合

[0055] 本发明的降旋效果取决于三个重要变量，分别是孔径、孔间距和流量。为得到三个变量与入流畸变度的关系，根据量纲分析的原理，将三个变量进行无量纲化。以半球壳直径为基量，分别取径比系数为ε＝dD2、间距系数为φ＝LD2、而流量系数则为K＝QQ0,Q0为设备规定的标准工况(本实验中为4.96m3/h)。

[0056] 根据流量系数、径比系数、间距系数，将表三重新整理得到结果如下：

[0057] 表四：

[0058]

[0059]

[0060] 采用准牛顿法(BFGS)优化算法。基本思想是不用二阶偏导数而构造出可以近似Hesse矩阵的逆的正定对称阵，从而在“拟牛顿”的条件下优化目标函数对得到的数据结果进行曲线拟合。拟合使用的工具为1stopt软件。将表四中的数据采用1stopt软件中的通用全局优化法进行拟合曲线，得到如下经验公式：

[0061]

[0062] 式中，ε为径比系数，φ为间距系数，fη为入流畸变系数，入流畸变系数越小，降旋效果越好；

[0063] (3)模拟验证

[0064] 通过改变挡板模型中的孔径和孔间距的数值对获得的经验公式(1)进行验证，验证结果如下：

[0065]流量系数 径比系数 间距系数 模拟结果 拟合结果 误差
0.9 0.085 1.70 0.861 0.868 -0.84％
0.9 0.141 1.50 0.865 0.894 -3.39％
0.9 0.225 1.25 0.891 0.925 -3.81％
1 0.225 1.25 0.901 0.935 -3.74％
1 0.225 1.50 0.883 0.878 0.62％
1 0.225 1.70 0.869 0.834 4.02％
1.1 0.085 1.70 0.905 0.886 2.12％
1.1 0.141 1.50 0.879 0.912 -3.81％
1.1 0.225 1.25 0.909 0.944 -3.82％

[0066] 通过上述的对比结果可以看出，模拟结果和拟合结果的误差在5％以内，符合工程要求，从而证明本发明的经验公式成立。