螺旋槽密封的泄漏特点设计的反应堆冷却剂泵

文摘

螺旋槽密封设计反应堆冷却剂泵来控制漏沿着叶轮表面面前由于其电阻高于压槽密封。流和螺旋槽密封摩擦因素预计利用商业CFD代码,流利。螺旋槽密封的摩擦因素与螺旋角不同从20度到50度,在各种转速和轴向雷诺数,分别计算。螺旋槽的定子与螺旋角大于20度,泄漏显示了螺旋升角的上升趋势。的压痕槽定子漏阻力低于20度到30度述。可以断言,一个更大的螺旋角,摩擦系数略有增加,轴向高雷诺数的增加,来自高压操作条件和摩擦系数通常是敏感的螺旋角的变化在此操作条件。研究奠定了理论基础为反应堆冷却剂泵的液封设计和未来占高压条件试验研究影响泄漏特性。

1。介绍

最近,它已经认识到高效密封的泄漏流动的关键是核电站安全。在核设备密封的泄漏流动特性进行了一些研究人员。

在高温气冷堆(HTGR)核心,防止泄漏流动的冷却气体热水力设计是很重要的;密封机制为核心研究Kaburaki和Takizuka1,2]。泄漏流经核心支持块受到限制,因为之间的差距之间的差距的核心支持块仍保持广泛在反应堆操作期间防止模块的交互。

泄漏的改进沿着叶轮表面面前是反应堆冷却剂泵的关键(RCP)的可靠性。间隙泄漏控制是最重要的问题是解决了,可增加RCP的可靠性和效率,因此,保证满意的操作。如果泄漏失控,泄漏流将干扰主要流叶轮的入口,然后是流通面积将减少。这将导致减少液压的RCP。一旦泵作用于一个低着头由于较大的泄漏,将会有严重危险的水冷却液供给不足,导致多余的反应堆堆芯温度。

获得一个更好的泄漏控制、压槽密封常用的泵。但其性能在高压条件下是不满意。适应在极端情况下,螺旋槽密封设计反应堆冷却剂泵获得更高的阻力比压槽密封泄漏。高转速收益率沿着groove-forward进气回流,减少平均轴向和周向流体速度。除此之外,螺旋槽定子应用程序通过槽路径删除任何杂质。

然而,螺旋槽密封没有深入调查,因为他们的复杂的特点。Bootsma [3]研究了螺旋槽轴承采用湍流模型,这是类似于Hirs [4]。金姆和蔡尔兹(5)模型评估整体流分析螺旋槽密封槽转子和槽绕组匝。分析也包含Hirs [4紊流润滑理论和“fine-groove”理论。控制方程是偏心率产生零的扩大和一阶摄动解。此外,Walowit [6)开发了一种fine-groove-based分析层流螺旋槽密封;然而,它是不适合高度湍流。

金和孩子5)预测,螺旋槽比螺旋槽转子定子更稳定。但螺旋槽定子配置有泄漏率高于螺旋槽转子配置由于其显著降低功耗。此外,Iwatsubo et al。7)报道,形成的负面cross-coupled刚度系数是螺旋槽定子的原因更稳定。

一些研究提出了确定螺旋槽密封的泄漏特点,这仅仅是在低压条件下运营的。Kanki,川(8)报道,螺旋槽密封的泄漏流量小于普通的密封。螺旋槽的影响主要在高速区域。Iwatsubo et al。9)进行了系统分析在动荡的环形密封螺旋槽转子。正如《华尔街日报》旋转频率增加,漏流降低了。零净漏流有可能在一个特定的旋转频率。泄漏的数据和摩擦因素提出了螺旋槽密封的孩子et al。10]。测试结果支持这样的结论:凹槽和泄漏率的数量稳步增加,增加了在低压螺旋角。

高达和您正在11]目前理论研究高压环形密封处理稳态质量流率,迷宫seal-influence系数,和不平衡响应的高压燃油涡轮泵。

在本文之前,螺旋槽密封的泄漏特点的压力高于17 MPa条件尚未研究。适应在极端情况下,螺旋槽密封设计控制反应堆冷却剂泵的泄漏。获得与高螺旋槽密封,本文开始预测高摩擦系数的正确选择螺旋角α在高压条件下。

2。计算描述

2.1。模型

三维CFD模型用于本研究计算稳态不可压缩流内密封。采用水作为密封介质,温度是视为一个常数值。泄漏特性取决于用人标准κ- - - - - -ε湍流模型和CFD分析的密封是由ANSYS流利。

湍流动能,,其耗散率,从下面的传输方程,得到: 在哪里 在这些方程,代表了一代的湍流动能由于平均速度梯度;湍流动能的产生是由于浮力;代表了脉动膨胀的贡献在可压缩湍流耗散率。该模型常数,,,,紊流普朗特数吗和,分别。和是用户定义的源项(12]。的能力- - - - - -湍流模型槽液体环形密封已经验证通过对比计算结果和三维激光多普勒风速计测量(13]。

二阶离散化方案用于压力、密度、和动量项。一阶逆风方案用于湍流耗散率。解决边界层,使用标准壁面函数模型壁面的粘性影响的地区。连续性的收敛性判据,速度,,方程是低于10⁻⁵。参数研究进行广泛的雷诺数(90000 - 245000)。压力出口边界保持恒定值,改变进气压力来实现不同的雷诺数。

2.2。尺寸和条件

一个典型的螺旋槽定子环形密封如图1。本文中使用的密封提供光滑转子和螺旋槽定子。螺旋槽导致流体旋转方向相反的轴旋转。

螺旋角α将反对流体旋转和收益率减少平均轴向和周向流体速度。这个角α可以改变从0(周向开槽)90度(轴向开槽)。

五印的配置也进行了计算评估螺旋角的影响在泄漏特性。图2提供密封的名义尺寸。五螺旋角,即0,20、30、40、50度,计算。这些海豹维持相同的横截面入口如图2(一个)。转子密封长度是50毫米,直径是100毫米。计算结果给出了出口压力为17.1 MPa。

2.3。网格生成

3 d网格应用的结构化的六角形细胞土地和槽是使用商业网格生成器创建的策略。的2 d视图的入口部分螺旋槽密封网格定义如图3。执行网格独立密度的研究调查网格密度的影响,并确定好需要一个网来捕捉重要的物理压力。网格是精制径向和圆周方向的依赖性。图4显示了精炼的效果在进口截面的网格平均压力。压力变化不到0.002%增加网格密度和网独立。获得一个更好的压力预测,最大密度网格将用于后续计算。

从一个节点离墙,与双面啮合点重新分配比率1.15在径向方向上和1.2的周向槽宽度。靠近壁面网格点干扰,保持一个较小值,从而提高员工的壁面切应力和压力预测。

Law-of-the-wall配方模型墙附近的锋利的压力梯度和使用标准- - - - - -湍流模型如下: 在哪里 是无量纲速度。

考虑到 是无量纲距离墙,=湍流粘性常数(),=卡门常数(),=经验常数(),=平均速度的流体在壁面节点,=在靠近壁面湍流动能节点,=距离点在墙上=动态粘度的液体。

墙的法律为平均速度和压力是根据墙单元,,而不是()。这些数量是在平衡湍流边界层近似等于12]。

3所示。结果与讨论

两个面所在的中腔密封在密封长度的0.23和0.5。压差被定义为内部的压力计算上游和立即密封。轴向压力梯度定义的两个压力面临平均年龄是0.23岁和0.5。密封长度,50毫米。

的摩擦系数定义参考蔡尔兹et al。10被修改。水力直径的最小间隙被替换,因为这是一个更好的表示摩擦水头损失系数。下面的定义是用于密封的摩擦系数发达: 在哪里静态的压力,是轴向密封的坐标,水力直径,是密度,平均轴向速度。图5说明了轴向摩擦系数与雷诺数,和转速述的螺旋升角0,20、30、40、50度。

3.1。螺旋升角

有类似的代表这5个模型之间的阻力特性。可以看到从图5稳定器,螺旋槽一样,摩擦系数与螺旋角减少,显示了一个上升趋势,因为与一个较小的螺旋升角密封轴向分量少流和长槽的能量耗散。它变得更加敏感,螺旋角时的转速下降。螺旋槽绕组匝,摩擦系数一般随轴向雷诺数增加而减小。在轴向低雷诺数的条件,它显然与轴向雷诺数单调下降。在相对高的轴向雷诺数,、40和50度,摩擦系数往往与轴向雷诺数收敛于相同的值,并与轴向摩擦系数甚至稍有增加雷诺数低转速条件。曲线往往与轴向self-simulated域雷诺数大于250000。

3.2。转速

可以看到从图5螺旋槽定子,摩擦系数通常运行速度增加而增加。图6显示了轴向摩擦系数的变化与雷诺数的静叶在1750 rpm。20度定子具有较高的电阻比其余的定子漏。螺旋升角大于20度,螺旋槽述泄漏越来越随着螺旋角的增加,由于更大的漏流槽螺旋角有更多的流量和短槽轴向分量在缺乏能量耗散。的压痕槽定子摩擦系数低于20和30度静叶,因为它不能产生回流groove-forward入口。

图7说明了螺旋槽的摩擦系数在4000 rpm和轴向绕组匝雷诺数。很明显,20到30度述有更高的阻力比压槽定子漏。轴向较低雷诺数,定子超过40度的环形槽定子摩擦值由于转速的增加。增加转速产量更多的回流槽入口和减少平均轴向和周向流体速度。

3.3。流场

图8显示的等压线压槽定子。很明显,轮廓的压力梯度向量的圆周槽定子转子轴平行。相比之下,在图9,这显示了20度的等压线定子,可以发现存在停滞区沿逆风槽表面由于旋转流体的冲击。流体旋转反对螺旋角,它的收益率降低圆周流体平均速度,确保密封稳定性。图10显示0.2的等压线截面四螺旋角。压力的值范围变得狭窄,和峰值随着螺旋角的增加下降。停滞地区收缩区和背风随着螺旋角的增加。这一事实影响湍动能的分布,可以在图中找到11显示了湍流动能等值线为0.2截面四螺旋角。

湍动能值与能量耗散。看到,20度的湍流动能定子高于其他定子,和左边的高度湍流动能地区现有的槽是最大的,这是能量耗散。高度湍流动能地区收缩区和背风随着螺旋角的增加。50度的高度湍流动能地区定子是最小的,和峰值是最低的。推测,摩擦系数的差异在螺旋槽静叶的相对位置有关高度湍流动能地区槽和湍动能值范围。

4所示。结论

(一)的摩擦系数与螺旋角减少,显示了一个上升趋势,因为与一个较小的螺旋升角密封轴向分量少流和长槽的能量耗散。螺旋槽述用螺旋角大于20度泄漏越来越随着螺旋角的增加。的压痕槽定子漏阻力低于20度到30度述,从而设计螺旋槽密封比压槽密封反应堆冷却剂泵。(b)对于所有螺旋槽绕组匝,摩擦系数通常运行速度的增加而增加。摩擦系数更敏感转速尤其是对小螺旋角定子。(c)摩擦系数一般随轴向雷诺数。在低于160000,摩擦系数与轴向雷诺数单调下降。在高再保险公司、40和50度,摩擦系数往往与轴向雷诺数收敛于相同的值,特别是对于低转速、轴向雷诺数的摩擦系数略有增加。曲线往往与轴向self-simulated域雷诺数大于250000。(d)在1750 rpm, 20度定子漏阻力远高于压槽定子;因此,在反应堆冷却剂泵,helically-grooved定子与更高的功耗可以用作控制回流泄漏的轴向密封叶轮表面面前和减少泄漏流量,同时保持间隙与平原的密封。因为一个螺旋槽产生回流沿槽向前进,应用程序的其他对象是通过槽去除杂质的路径。

此外,数值研究确定的基本特征进行螺旋槽定子在高压状态。结论将总结的有效应用于螺旋槽密封RCP和贡献的未来实验研究这种类型的密封。

术语

再保险:	轴向雷诺数
:	螺旋角(度)
:	摩擦系数
:	静压(Pa)
:	密封长度(米)
:	轴向密封坐标(m)
:	水力直径(米)
:	密度()
:	平均轴向速度(米/秒)
:	动态粘度(Pa·s)
:	湍流动能()
:	湍流耗散率()
:	湍流粘性常数
:	卡门常数
:	经验常数
:	平均速度的流体在壁面节点(米/秒)
:	在靠近壁面湍流动能节点()
:	点的距离在墙上(m)
:	代的湍流动能由于平均速度梯度
:	代的湍流动能由于浮力
:	脉动膨胀的贡献可压缩湍流耗散率
	模型常数方程
:	紊流普朗特数为
:	紊流普朗特数为
:	用户定义的源项
:	用户定义的源项。

承认

作者感谢金融支持中国的国家基础研究计划(973计划)。

引用

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