一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法

摘要

一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法，包括一个参考导叶片及14个导叶叶片，导叶叶片与参考导叶片形状相同；参考导叶片的尾缘位于压水室的中轴线上，14个导叶叶片关于压水室的中轴线对称分布；以参考导叶片为起点，以最后一个导叶叶片为终点，在顺时针方向上通过调整相邻导叶的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧圆心角，使导叶对称非均匀分布于压水室的中轴线两侧。本发明的对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法主要通过调整导叶通流面积，使核主泵内的流动更加符合核主泵形状特征及流动规律，降低了核主泵内部的流动损失，达到提升核主泵的性能特性和降低压力脉动强度的目的。

权利要求

1.一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定参考导叶片的安装位置：在压水室的中轴线位置处设置一片导叶作为参考导叶片，并使该参考导叶片满足：参考导叶片的尾缘位于压水室的中轴线上；将参考导叶片记为第1个叶片；

S2、确定对称式非均匀分布的导叶的主要控制变量，主要控制变量包括第2个叶片的旋转生成角θ1，导叶的非均匀分布调节系数m以及调节变量d；所述第2个叶片的旋转生成角θ1为第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；所述第2个叶片位于第1个叶片的顺时针方向一侧且与第1个叶片相邻；

包括以下步骤：

A1、设定第2个叶片的旋转生成角θ1＝17°；

A2、设定导叶的非均匀分布调节系数m＝1.4；

A3、计算确定调节变量d：在已确定的第2个叶片的旋转生成角θ1和导叶的非均匀分布调节系数m的数值基础上，通过以下公式获得调节变量d的唯一具体数值为0.6934：S3、计算确定其余13个导叶的旋转生成角θi，其中，2≤i≤14,i∈N；所述第i+1个叶片的旋转生成角θi为第i+1个叶片与相邻的第i个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；包括以下步骤：B1、通过以下公式计算确定第3个叶片至第9个叶片的旋转生成角θi，其中，2≤i≤8,i∈N：B2、计算确定第10个叶片至第15个叶片的旋转生成角θi，其中，9≤i≤14,i∈N：θi＝θ16-i；

S4、基于步骤S2和步骤S3得到的旋转生成角θi，其中，1≤i≤14,i∈N，进行对称式非均匀分布导叶的建模，包括以下步骤：C1、生成第2个叶片：针对已确定的第1个叶片，取与第1个叶片结构相同的导叶片作为第2个叶片，将其绕导叶轮盘的中心置于第1个叶片的顺时针方向一侧并与第1个叶片相邻，然后将第2个叶片旋转至第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θ1的位置，固定于导叶轮盘上，第2个叶片生成完成；

C2、依次地，第i+1个叶片的生成：针对已生成的第i个叶片，其中i>1，取与第i个叶片结构相同的导叶片作为第i+1个叶片，并将其绕导叶轮盘中心置于第i个叶片的顺时针方向一侧并与第i个叶片相邻，然后将第i+1个叶片旋转至第i+1个叶片的尾缘与第i个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θi的位置，固定于导叶轮盘上，第i+1个叶片生成完成；

C3、重复步骤C2，直至i值达到14，得到对称式非均匀分布的导叶结构。

说明书

一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及核电和叶轮机械技术领域，尤其是一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法。

背景技术

[0002] 我国还没有安全掌握三代压水堆主泵的研制技术，核主泵成为大型三代先进压水堆核电站国产化难度最大的装备。为了踏入国际市场及避免受让合同的限制，我们需要自主研发出满足核岛一回路动力循环要求的商用大功率核主泵。

[0003] 当前国内核主泵试验基地的阶段性实验结果表面：核主泵试验件的压力脉动强度较大，这对核主泵的长期安全稳定服役极为不利。因此，一种能够抑制核主泵压力脉动强度的特殊水力模型结构具有重要的现实意义。

[0004] 美国研发的三代核主泵AP1000及国内的正在研发的CAP1400核主泵均采用均匀分布的传统导叶结构3(如图1所示)，而核主泵整体上是一个非完全圆周对称的结构，以前的设计者们在导叶设计过程中往往忽略了这一细节，考虑形性协同的新型核主泵导叶结构设计较为少见。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种设计新颖、可使核主泵内的流动更加符合核主泵形状特征及流动规律，有效降低核主泵内部的流动损失，最终达到提升核主泵的性能特性和降低压力脉动强度目的的核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法。

[0006] 本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法，包括以下步骤：

[0007] S1、确定参考导叶片的安装位置：在压水室的中轴线位置处设置一片导叶作为参考导叶片，并使该参考导叶片满足：参考导叶片的尾缘位于压水室的中轴线上；将参考导叶片记为第1个叶片；

[0008] S2、确定对称式非均匀分布的导叶的主要控制变量，主要控制变量包括第2个叶片的旋转生成角θ1，导叶的非均匀分布调节系数m以及调节变量d；所述第2个叶片的旋转生成角θ1为第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；所述第2个叶片位于第1个叶片的顺时针方向一侧且与第1个叶片相邻；

[0009] 包括以下步骤：

[0010] A1、设定第2个叶片的旋转生成角θ1＝17°；

[0011] A2、设定导叶的非均匀分布调节系数m＝1.4；

[0012] A3、计算确定调节变量d：在已确定的第2个叶片的旋转生成角θ1和导叶的非均匀分布调节系数m的数值基础上，通过以下公式获得调节变量d的唯一具体数值为0.6934：

[0013]

[0014] S3、计算确定其余13个导叶的旋转生成角θi，其中，2≤i≤14,i∈N；所述第i+1个叶片的旋转生成角θi为第i+1个叶片与相邻的第i个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；包括以下步骤：

[0015] B1、通过以下公式计算确定第3个叶片至第9个叶片的旋转生成角θi，其中，2≤i≤8,i∈N：

[0016]

[0017] B2、计算确定第10个叶片至第15个叶片的旋转生成角θi，其中，9≤i≤14,i∈N：

[0018] θi＝θ16-i；

[0019] S4、基于步骤S2和步骤S3得到的旋转生成角θi，其中，1≤i≤14,i∈N，进行对称式非均匀分布导叶的建模，包括以下步骤：

[0020] C1、生成第2个叶片：针对已确定的第1个叶片，取与第1个叶片结构相同的导叶叶片作为第2个叶片，将其绕导叶轮盘的中心置于第1个叶片的顺时针方向一侧并与第1个叶片相邻，然后将第2个叶片旋转至第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θ1的位置，固定于导叶轮盘上，第2个叶片生成完成；

[0021] C2、依次地，第i+1个叶片的生成：针对已生成的第i个叶片，其中i>1，取与第i个叶片结构相同的导叶叶片作为第i+1个叶片，并将其绕导叶轮盘中心置于第i个叶片的顺时针方向一侧并与第i个叶片相邻，然后将第i+1个叶片旋转至第i+1个叶片的尾缘与第i个叶片的尾缘在导叶轮盘出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θi的位置，固定于导叶轮盘上，第i+1个叶片生成完成；

[0022] C3、重复步骤C2，直至i值达到14，得到对称式非均匀分布的导叶结构。

[0023] 本发明的有益效果在于：本发明针对核主泵整体非完全圆周对称的结构特征，这里提出的对称式非均匀分布导叶结构通过调整导叶通流面积，使得核主泵内的流动更加符合核主泵形状特征及流动规律，降低了核主泵内部的流动损失，最终达到提升核主泵的性能特性和降低压力脉动强度的目的。

附图说明

[0024] 图1是传统的叶片均匀分布的导叶结构图。

[0025] 图2是本发明的对称式非均匀导叶结构的轴面流道图。

[0026] 图3是本发明的对称式非均匀导叶结构示意图。

[0027] 图4是本发明的设计流程图。

[0028] 图5是本发明中第2个叶片的生成结果示意图。

[0029] 图6是本发明中第i+1个叶片的生成结果示意图。

[0030] 图7是本发明设计的导叶与传统导叶的扬程对比结果。

[0031] 图8是本发明设计的导叶与传统导叶的效率对比结果。

[0032] 图9是传统导叶结构的压力脉动强度的等值线图。

[0033] 图10是本发明导叶结构的压力脉动强度的等值线图。

[0034] 图中：1-压水室、2-压水室的中轴线、3-传统导叶结构、4-旋转叶轮、5-导叶轮盘、6-导叶轮盖、7-轴、8-参考导叶片、9-导叶叶片。

具体实施方式

[0035] 以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：

[0036] 图2和图3示出了本发明一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的基本结构。一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构，包括常规的压水室1、阻挡导叶叶顶介质泄漏的导叶轮盖6，安装于压水室1内部的导叶轮盘5及固定于导叶轮盘5上的旋转叶轮4和导叶，旋转叶轮4固定于导叶轮盘5的中心，导叶以导叶轮盘5的轴心(即轴7)为圆心绕旋转叶轮4的外圆周焊接固定于导叶轮盘5上并使导叶的尾缘位于导叶轮盘5出口端的圆周上。具体地，导叶包括一个参考导叶片8及14个导叶叶片9，参考导叶片8及导叶叶片9形状均相同；参考导叶片8的尾缘位于压水室1的中轴线2上，14个导叶叶片9关于压水室1的中轴线2对称分布；以参考导叶片8为起点，以最后一个导叶叶片9为终点，在顺时针方向上每相邻的两个导叶的尾缘在导叶轮盘5出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角分别为:

[0037] θ1＝17°,θ2＝17.9711°,θ3＝19.3307°,θ4＝21.2342°,θ5＝23.8990°,θ6＝27.6297°,θ7＝32.8527°,θ8＝40.1650°,θ9＝32.8527°,θ10＝27.6297°,θ11＝23.8990°,θ12＝21.2342°,θ13＝19.3307°,θ14＝17.9711°，以使导叶对称非均匀分布于压水室1中轴线2的两侧。

[0038] 本发明提出的导叶结构设计通过调整叶片的分布形式来实施核主泵水力性能的提升，并有效降低核主泵压力脉动强度。

[0039] 图4示出了导叶设计方法的基本流程。一种核主泵对称式非均匀分布导叶结构的导叶设计方法，包括以下步骤：

[0040] S1、确定参考导叶片8的安装位置：在压水室1的中轴线2位置处设置一片导叶作为参考导叶片8，并使该参考导叶片8满足：参考导叶片8的尾缘位于压水室1的中轴线2上；将参考导叶片8记为第1个叶片；

[0041] S2、确定对称式非均匀分布的导叶的主要控制变量，主要控制变量包括第2个叶片的旋转生成角θ1，导叶的非均匀分布调节系数m以及调节变量d；所述第2个叶片的旋转生成角θ1为第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘5出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；所述第2个叶片位于第1个叶片的顺时针方向一侧且与第1个叶片相邻；

[0042] 包括以下步骤：

[0043] A1、确定第2个叶片的旋转生成角θ1＝17°；

[0044] A2、确定导叶的非均匀分布调节系数m＝1.4；

[0045] A3、计算确定调节变量d：在已确定的第2个叶片的旋转生成角θ1和导叶的非均匀分布调节系数m的数值基础上，通过以下公式获得调节变量d的唯一具体数值为0.6934：

[0046]

[0047] S3、计算确定其余13个导叶之间的旋转生成角θi，其中，2≤i≤14,i∈N；所述第i+1个叶片的旋转生成角θi为第i+1个叶片与相邻的第i个叶片的尾缘在导叶轮盘5出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角；包括以下步骤：

[0048] B1、通过以下公式计算确定第3个叶片至第9个叶片的旋转生成角θi，其中，2≤i≤8,i∈N：

[0049]

[0050] 通过将θ1＝17°，m＝1.4及d＝0.6934代入，得到第3至第9个叶片的旋转生成角θ2,θ3,θ4,θ5,θ6,θ7,θ8的值如表1所示：

[0051] 表1 第3至第9个叶片的旋转生成角计算结果

[0052]叶片编号 旋转生成角 角度值(°)
3 θ2 17.9711
4 θ3 19.3307
5 θ4 21.2342
6 θ5 23.8990
7 θ6 27.6297
8 θ7 32.8527
9 θ8 40.1650

[0053] B2、计算确定第10个叶片至第15个叶片的旋转生成角θi，其中，9≤i≤14,i∈N：

[0054] θi＝θ16-i；

[0055] 得到第10至第15个叶片的旋转生成角θ9,θ10,θ11,θ12,θ13,θ14的值如表2所示：

[0056] 表2 第10至第14个叶片的旋转生成角计算结果

[0057]叶片编号 旋转生成角 角度值(°)
10 θ9 32.8527
11 θ10 27.6297
12 θ11 23.8990
13 θ12 21.2342
14 θ13 19.3307
15 θ14 17.9711

[0058] S4、基于步骤S2和步骤S3得到的旋转生成角θi，其中，1≤i≤14,i∈N，进行对称式非均匀分布导叶的建模，包括以下步骤：(如图4所示)

[0059] C1、如图5所示：生成第2个叶片：针对已确定的第1个叶片，取与第1个叶片结构相同的导叶叶片9作为第2个叶片，将其绕导叶轮盘5的中心置于第1个叶片的顺时针方向一侧并与第1个叶片相邻，然后将第2个叶片旋转至第2个叶片的尾缘与第1个叶片的尾缘在导叶轮盘5出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θ1的位置，固定于导叶轮盘5上，第2个叶片生成完成；

[0060] C2、依次地，如图6所示：第i+1个叶片的生成：针对已生成的第i个叶片，其中i>1，取与第i个叶片结构相同的导叶叶片9作为第i+1个叶片，并将其绕导叶轮盘5的中心置于第i个叶片的顺时针方向一侧并与第i个叶片相邻，然后将第i+1个叶片旋转至第i+1个叶片的尾缘与第i个叶片的尾缘之间在导叶轮盘5出口端的圆周上截取的圆弧所对应的圆心角为θi的位置，固定于导叶轮盘5上，第i+1个叶片生成完成；

[0061] C3、重复步骤C2，直至i值达到14，得到对称式非均匀分布的导叶结构。

[0062] 本发明针对核主泵整体非完全圆周对称的结构特征，这里提出的对称式非均匀分布导叶结构通过调整导叶通流面积，使得核主泵内的流动更加符合核主泵形貌特点及流动规律，降低了核主泵内部的流动损失。图7和图8分别是传统的均匀分布导叶结构与本发明的对称式非均匀导叶结构的效率特性和压力特性的对比结果，由两图可知：本发明所提出的新结构在0.8～1.2设计流量范围内均能使得核主泵的性能特性得到显著提升。图9和图10分别给出了传统导叶结构与本发明的压力脉动强度的等值线图，通过对比可以发现，本发明所提出的新结构能够明显降低了核主泵内的压力脉动强度，有助于核主泵的长期稳定服役。

[0063] 以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。