热力耦合形变对铅铋泵水力特性影响的数值研究

程新生; 王福君; 王金伟; 王振; 曾煌棚

doi:10.13832/j.jnpe.2024.070052

热力耦合形变对铅铋泵水力特性影响的数值研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.070052

程新生^{1, 2, 3,},
王福君¹,
王金伟¹,
王振¹,
曾煌棚¹

1.
浙富控股集团股份有限公司，杭州，311100
2.
杭州浙富核电设备有限公司，杭州，311504
3.
浙江大学航空航天学院，杭州，310027

详细信息

作者简介:
程新生（1993—），男，博士研究生，现主要从事液态金属泵、低振动泵的研究，E-mail: chengxinsheng@zju.edu.cn

中图分类号: TL433
计量
- 文章访问数: 24
- HTML全文浏览量: 10
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2024-07-24
- 修回日期: 2024-09-29
- 刊出日期: 2025-08-15

Numerical Study on the Influence of Thermal-mechanical Coupling Deformation on the Hydraulic Characteristics of Lead-bismuth Pumps

1.
Zhefu Holding Group Co., Ltd., Hangzhou, 311100, China
2.
Hangzhou Zhefu Nuclear Power Equipment Co., Ltd., Hangzhou, 311504, China
3.
School of Aeronautics and Astronautics, Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China

摘要

摘要: 为了研究热力耦合形变对铅铋合金（LBE）泵水力特性的影响，通过数值计算获取了设计状态下LBE泵的温度场及流场分布特征，研究了热力耦合作用下LBE泵的结构变形，分析了过流部件关键尺寸的变化，并以变形前后的LBE泵为模型进行了全流道数值计算，对比分析了热力耦合形变对LBE泵水力特性的影响。结果表明，热力耦合作用使得LBE泵的叶轮、导叶等关键过流部件在径向、轴向尺寸上均有所增加，且叶片安放角发生变化；热力耦合形变对LBE泵在设计工况下水力特性影响较小；在偏离设计工况下，泵内叶轮区域的扬程增加，导叶区域的能量损失加剧，流动特征被显著改变，水力特性与设计状态下的差异较大。
- 铅铋合金（LBE）泵 /
- 热力耦合作用 /
- 变形 /
- 水力特性
Abstract: In order to study the influence of thermal-mechanical deformation coupling on the hydraulic characteristics of lead-bismuth eutectic (LBE) pumps, the temperature and flow field distribution characteristics of the LBE pumps in the design state were obtained through numerical simulations. The structural deformation of the LBE pumps considering thermal-mechanical coupling effects was studied, and the changes in key dimensions of the flow passage components were analyzed. The LBE pumps before and after deformation was used as a model for full channel numerical calculations, and the influence of thermal-mechanical coupling deformation on the hydraulic characteristics of the LBE pumps was compared and analyzed. The results indicate that the thermal-mechanical coupling effect induces dimensional expansion in flow passage components such as the impeller and guide vanes of the LBE pump in both radial and axial directions, and the blade angle changes. The thermal-mechanical coupling deformation has a relatively small influence on the hydraulic characteristics of LBE pumps under design conditions. When deviating from the design conditions, the head increases in the impeller area, the energy loss intensifies in the guide vane area, and the flow characteristics are significantly changed, resulting in a significant difference of the hydraulic characteristics compared to the design state.
- Lead-bismuth eutectic(LBE) pump /
- Thermal-mechanical coupling effects /
- Deformation /
- Hydraulic performance

HTML全文

图 1 计算流程

Figure 1. Calculation Process

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 LBE泵结构示意图

Figure 2. Schematic Diagram of LBE Pump Structure

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 网格无关性验证

Figure 3. Grid Independence Verification

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 流体域网格划分

Figure 4. Mesh Division of Fluid Domains

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 旋转部件的约束设置

Figure 5. Constraint Settings for Rotating Parts

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 叶轮和导叶压力云图以及泵温度云图

Figure 6. Pressure Cloud of Impeller and Guide Vane, Temperature Cloud of Pump

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 泵、叶轮和导叶的变形云图

Figure 7. Deformation Cloud of Pump, Impeller and Guide Vane

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 结构干涉示意图

Figure 8. Schematic Diagram of the Structure Interference

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 流道对比示意图

Figure 9. Comparison of Flow Channel

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 考虑热力耦合作用后叶片安放角的变化

Figure 10. Changes of Blade Angle after Considering Thermal-mechanical Coupling Effects

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 考虑热力耦合形变后水力外特性的变化

Figure 11. Changes of Hydraulic External Characteristics after Considering Thermal-mechanical Coupling Deformation

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 设计状态、运行状态下叶轮扬程与导叶损失差异

Figure 12. Comparison of the Head in Impeller and Loss in Guide Vane between Design and Operating Conditions

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 设计状态与运行状态下泵内流动特性对比

Figure 13. Comparison of Flow Characteristics in Pumps under Design and Operating Conditions

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 材料在不同温度下的物性参数

Table 1. Physical Parameters of Material at Different Temperatures

材料	T/℃	E/GPa	λ/(W·m⁻¹·℃⁻¹)	α /(10⁻⁶K⁻¹)
耐磨蚀材料	150	205	25.5	11.1
	250	198	26.9	11.5
	350	191	27.7	11.9
Q235钢	20	202	60.4	11.5
	100	198	58.0	12.1
	150	195	55.9	12.4
304不锈钢	20	195	14.8	13.5
	150	186	17.0	16.6
	250	179	18.6	17.4
E—弹性模量；λ—导热系数；α—热膨胀系数；T—温度。

下载: 导出CSV

表 2 设计状态与运行状态关键几何参数的差异

Table 2. Difference of Key Geometric Parameters between Design and Operation States

位置	几何参数	设计状态	运行状态	两种状态差值
叶轮	D₁/mm	76.58	77.11	0.53
	D₂/mm	89.95	90.25	0.30
	B₁/mm	38.65	39.88	1.23
导叶	D₃/mm	108.19	108.53	0.34
	D₄/mm	53.72	53.98	0.26
	B₂/mm	73.93	74.77	0.84

下载: 导出CSV

表 3 不同工况叶轮扬程和导叶损失

Table 3. Head in Impeller and Loss in Guide Vane under Different Operating Conditions

工况		设计状态		运行状态
工况		H₁/m	H₂/m	H₁/m	H₂/m
(Q/Q_d)	0.3	28.20	0.46	30.86	2.73
	0.6	37.76	7.22	37.04	7.79
	0.7	34.23	5.02	35.76	5.39
	0.9	31.09	3.52	31.33	3.56
	1.0	28.88	2.63	29.49	3.25
	1.1	26.75	1.90	27.38	3.31
	1.2	24.92	2.04	27.69	2.90

下载: 导出CSV

参考文献(19)

[1]	龙云,袁寿其,朱荣生,等. 核主泵内部流动研究现状与技术发展综述[J]. 排灌机械工程学报,2020(11): 038.
[2]	王凯琳,李良星,张双雷,等. 轴流铅铋泵的设计及其水力性能分析[J]. 西安交通大学学报,2020(11): 054.
[3]	关醒凡. 现代泵技术手册[M]. 北京: 中国宇航出版社,2011: 241.
[4]	杨从新,吕天智,郭艳磊等. 铅铋介质与清水介质在核主泵内流动对比[J]. 液压气动与密封,2023, 43(6): 11-16. doi: 10.3969/j.issn.1008-0813.2023.06.003
[5]	王岩,余红星,郭艳磊等. 液态LBE介质轴流泵压力脉动特性数值研究[J]. 核动力工程,2020, 41(3): 202-207.
[6]	张双雷,李良星,宋立明.轴流铅铋泵流场分析及优化[J].核动力工程,2022,43(3):158-164.
[7]	ZHANG Y , KANG C , ZHU Y , et al. Investigation on the performance and flow characteristics of a liquid lead-bismuth pump[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2021(3): 1-9.
[8]	RUO Fu, XIAO, and, et al. Dynamic Stresses in a Francis Turbine Runner Based on Fluid-Structure Interaction Analysis[J]. Tsinghua Science & Technology, 2008, 13(5): 587-592.
[9]	董亮,白羽,刘厚林,等. 高温高压对冶金用热水循环泵结构强度的影响[J]. 华中科技大学学报: 自然科学版,2015(3): 5.
[10]	裴吉,袁寿其,袁建平. 流固耦合作用对离心泵内部流场影响的数值计算[J]. 农业机械学报,2009(12): 6.
[11]	朱荣生,郑宝义,王秀礼,等. 1000MWe核反应堆冷却剂泵多场耦合特性分析[J]. 原子能科学技术,2013, 47(5): 784-788.
[12]	钟伟源,朱荣生,王秀礼,等. 基于双向流固耦合的核主泵叶轮力学特性[J]. 排灌机械工程学报,2018, 36(6): 9.
[13]	朱荣生, 陈一鸣, 安策, 等. 基于流热固耦合的高温熔盐泵转动系统结构应力分析[J]. 排灌机械工程学报,2021, 39(3): 238-243+324.
[14]	孔繁余,王婷,王文廷,等. 基于流固耦合的高温泵叶轮应力有限元分析[J]. 江苏大学学报: 自然科学版,2012, 33(3): 5.
[15]	孔繁余,夏斌,张慧,等. 基于热-结构耦合的热水循环泵结构强度研究[J]. 机械工程学报,2014, 50(18): 7.
[16]	MENTER F R. Two-equation Eddy-viscosity Turbulence Models for Engineering Application[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1598-1605. doi: 10.2514/3.12149
[17]	吕天智,杨从新,郭艳磊. LFR轴流式冷却剂主泵水力性能研究[J]. 核动力工程,2023, 44(2): 126-132.
[18]	张德胜,吴苏青,施卫东,等. 不同湍流模型在轴流泵叶顶间隙模拟中的应用与验证[J]. 农业工程学报,2013, 29(13): 46-53. doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2013.13.007
[19]	杨从新,刘满,王秀勇,等. 动静叶栅间隙对钠冷快堆二回路泵压力脉动的影响[J]. 核动力工程,2020, 41(1): 127-133.