课题基金 / 基金详情

浸液式核主泵惰转飞轮间隙流道力热综合优化设计方法

批准号:
52075323
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
姚振强
依托单位:
学科分类:
机械设计学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
姚振强

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
第三代核主泵为避免叶轮转轴与主管道动密封间的放射性液体泄漏,用定子壳体和主管道将主泵转子封装为浸液转子;转子上用于提供断电惰转动能的大惯量飞轮,充液腔隙上端衔接高温一回路,下端联通低温水润滑轴承;飞轮带动间隙液体旋转产生显著流体阻力、能耗及传热效应,给核主泵的有效惰转输出、稳态运行效率及内部温差控制都带来严峻挑战。拟先通过复合湍流模拟揭示高雷诺数间隙环流动量输运机理及阻力特性;探索飞轮盘面/柱面间隙流动阻力转矩分解测试方法;构建等温条件下盘面/柱面间隙环流无量纲阻力矩和附加轴向力与流动雷诺数及无量纲间隙宽度的数学模型;再研究半封闭腔室基于泰勒涡的间隙环流轴向传热机理,探索间隙环流在生热耦合条件下轴向传热系数实验测试方法。最后基于间隙环流阻力、生热、传热特性与粘温效应,综合间隙环流泰勒涡、定转子传导、流固对流换热建立飞轮等效热阻网络模型,形成面向力能温度协同控制的飞轮结构与流道优化设计方法。
英文摘要
In third generation nuclear power plant, the coolant in primary loop is conducted into the annular gap between rotor and stator of reactor coolant pump (RCP), to avoid the leakage of radioactive coolant by means of substituting the dynamic sealing between the impeller shaft and the primary loop with static sealing between the motor shell and the primary loop, however bringing with additional force and viscous dissipation effects at the same time. To improve the efficiency of RCP on the basis of safe running, the optimal design of flywheel and annular gap parameters is essential. Since the heat transfer from the upper disc cavity next to the primary loop with high temperature to the bottom close to the journal bearing is accompanied with strong viscous-heating, the control of temperature distribution in the upper-flywheel annular gap faces great challenge. With the aim to establish the prediction model of torque resistance and additional axial force as well as heat-transfer coefficient in disk and cylindrical annular flow, respectively, the scaled-model of numerical simulations and experimental tests on the flow and heat-transfer in the annular gap around flywheel are to be conducted with iso-thermal condition based on the similarity criterion. According to the heat-transfer characteristics around flywheel, an equivalent thermal resistance network will be established to obtain the algebraic governing equations on temperature distribution, based on those torque resistance and heat-transfer coefficient models. Then, the temperature distributions around the flywheel are reconstructed from the governing equations by iterating to consider the effects of temperature on fluid viscosity. Constrained with rotational inertia and the boundary condition of top and bottom temperature, the optimal design with flywheel parameters will be developed.
核主泵飞轮用于保障事故断电工况下核反应堆的安全停堆,直接影响核电站的安全。项目针对浸液式核主泵飞轮间隙环流强剪切变形,传热与生热耦合,高温减阻与轴承防过热兼顾等挑战,揭示动量多尺度输运机理及阻力矩变化规律,阐明盘面旋转剪切流与压力流耦合作用规律及附加轴向力特性,探索间隙环流基于二次流的传热机制及解耦测试方法,掌握核主泵飞轮流道力热综合设计技术,研究面向核主泵飞轮多层结构的包壳疲劳性能评估及调控技术。研究工作的主要成果如下:.(1)研究盘柱面间隙环流流动规律,揭示角动量由转子向定子经大尺度泰勒涡、小尺度湍流脉动及分子粘性扩散的多尺度输运机理;掌握了柱面间隙环流无量纲阻力矩随泰勒数和间隙半径比的变化规律。设计并搭建三段组合测试飞轮的间隙环流实验平台,实现飞轮盘柱面阻力矩的分解测试,验证了间隙环流的阻力矩与附加轴向力预测公式。.(2)分析了半封闭旋转盘面间隙流动特性,揭示了周向旋转流与径向压力流耦合作用规律,建立了半封闭盘面间隙环流附加轴向力预测关联式。揭示了回流孔的引压作用机制,开展了核主泵飞轮区流体附加轴向力评估。.(3)针对飞轮半封闭间隙沿母线压力流动导致传热与生热耦合问题,基于间隙环流对输入温度波的瞬态响应特性,根据温度波幅值的指数衰减和相位的线性滞后特性反求间隙环流基于二次流的传热系数,实现传热与生热的解耦测试。设计搭建周期温度波生成系统,在飞轮间隙环流实验台上开展测试研究,掌握了间隙环流基于二次流的传热特性。.(4)分析核主泵浸液飞轮区传热拓扑关系,构建核主泵飞轮区传热等效串并联热阻网络,并通过核主泵飞轮实验台测试验证。预测了核主泵飞轮间隙环流温度分布、水力损耗与附加轴向力;以飞轮转动惯量和轴承冷却需求为约束,优化设计了飞轮间隙流道,实现核主泵飞轮间隙流道的力热综合设计。.(5)研究了飞轮端面包壳基于表面塑性变形的三体接触数值建模方法;分析镍基合金Inconel 625在使役温度下的应变疲劳行为,探究了激光喷丸强化提高镍基合金Inconel 625疲劳寿命的方法;建立了飞轮端面包壳在核主泵复杂力热工况下基于局部应力应变的疲劳寿命预测模型。
面向超设计基准工况的核主泵推力轴承制造原理与方法
  • 批准号:
    U20A20284
  • 项目类别:
    联合基金项目
  • 资助金额:
    260.0万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    姚振强
  • 依托单位:
面向超设计基准工况的核主泵推力轴承制造原理与方法
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    260万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    姚振强
  • 依托单位:
核级不锈钢焊接区机加工表面激光喷丸的抗应力腐蚀改性机理
  • 批准号:
    51475299
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    85.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    姚振强
  • 依托单位:
激光冲击微坑高应变率局部动态塑性加工机理与工艺规划研究
  • 批准号:
    51075271
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    姚振强
  • 依托单位:
国内基金
海外基金