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高溫熔鹽泵設計
發布時間:2019-07-17 14:09:49 瀏覽:

由于熔鹽具有良好的蓄熱、導熱能力以及穩定的化學性質,使得熔鹽在未來先進核能和光熱電站中有著巨大的應用潛力。熔鹽泵是輸送高溫熔鹽的關鍵設備,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了巨大挑戰。因此,高溫熔鹽泵的研發已成為當前水力機械領域的一個重要課題。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、數值計算與實驗測試相結合的方法對立式高溫熔鹽泵的過流部件進行了水力設計,并從靜力學強度和動力學特性兩個方面對其運行可靠性進行了分析和研究。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域的應用以及面臨的主要問題;回顧了離心泵數值模擬和流熱固耦合的研究進展;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行了結構設計,并對葉輪、導葉和環形蝸室進行了水力設計,給出了過流部件主要尺寸的確定方法和計算過程;結合樣機實驗對設計方案的水力性能進行驗證,實驗結果表明設計方案合理,滿足設計要求。
 。3)對高溫熔鹽泵進行全流場定常數值模擬,計算了高溫熔鹽泵輸送水和熔鹽兩種介質時的水力性能;根據數值計算結果,對高溫熔鹽泵的內部流動特性進行了分析。結果表明:熔鹽泵在輸送水介質時,運行效率會略高于輸送熔鹽介質的效率,設計點時兩者相差0.96個百分點;相同工況時,水的靜壓要顯著低于熔鹽介質的靜壓,其中設計工況水的最大靜壓為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;環形蝸室出水管的布置會對熔鹽泵內壓力分布產生明顯影響,靠近出水管的區域壓力會低于其它區域;小流量時葉輪內出現較大的漩渦,隨著流量的增加,漩渦會逐漸消失。
 。4)對高溫熔鹽泵啟動時溫升過程的溫度場分布進行了計算,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,對溫度分布進行了分析,結果表明:溫升過程中,不同時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;溫升速率的提高會增加泵內的溫差,當溫升速率由8℃/s升高到12℃/s時,軸向和徑向溫差均增加2℃;隨著流量的減小,熔鹽泵內部溫差將會顯著升高,流量由1.2Qd減小到0.3Qd時,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,其軸向要留出較大的熱變形余量,而溫升過程要盡可能的采取較大的溫升流量以保證各部分不致產生過大的溫差。
 。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行了計算和分析,結果表明:1.0Qd下,以10℃/s速率進行溫升時,由溫差導致的熱應力為5.08MPa,僅為機械應力的37.6%,介質流固耦合產生的機械應力是溫升過程葉輪承受的主要載荷;溫升過程機械應力和熱應力的波動較小,不同時刻兩者的波動分別為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,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;溫升速率的提高會導致熱應力明顯提高,而機械應力變化較;基于ASME標準對葉輪在1.0Qd,溫升速率為10℃/s時的結構強度進行了校核,結果表明葉輪強度合格。
 。6)針對熔鹽泵高溫的運行環境,對結構體的模態進行了多相位計算和分析,結果表明:熔鹽泵轉動和靜止部件的前6階固有頻率均遠離泵內主要的流動誘導激勵頻率;不同相位下,熔鹽泵各階固有頻率變化較小,轉動部件和靜止部件固有頻率的最大變化分別為0.5%和0.7%;預應力狀態下模態的固有頻率相對無預應力時有所升高,且轉動部件的固有頻率增幅更高,轉動部件和靜止部件最大增幅分別為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,臨界轉速不再增加,此時的支撐可以等效為剛性;最后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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