三代压水堆核主泵关键部件制造及工艺研究进展

核主泵作为反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备,其正常运行对于整个核电站的安全至关重要.长期以来,核主泵制造的安全性与可靠性一直是中国核电技术发展的“卡脖子”难题.近年来,得益于国家对核电技术基础研究的大力投入,以及依托重大课题项目的推进,中国三代压水堆核主泵国产化进程在各个方面都取得了重大成果.文中从核主泵制造及工艺的角度,深入剖析叶轮、泵壳、定子、转子、屏蔽套、密封、轴承等关键部件的发展历程,并针对各部件的材料选择、加工、装配工艺、检测方法及技术体系等进行详细分析,总结了中国核主泵的制造进度及难点.最后,结合当前核主泵制造的现状,提出中国核主泵制造发展的相关建议,这对中国核电事业的国产化进程具有重要意义.

CAP1400核主泵叶轮动应力计算及疲劳寿命预测

为实现核主泵叶轮疲劳寿命预测,考虑叶轮高温高压的恶劣运行工况建立流-热-固耦合计算模型,应用ANSYS CFX软件对核主泵叶轮内部流动的压力载荷和温度载荷进行非定常数值计算,在ANSYS Workbench中实现载荷向结构的传递,并对叶轮动力响应疲劳载荷开展研究.利用雨流计数法对叶片危险部位的载荷数据进行统计分析,进一步结合Palmgren-Miner理论对核主泵叶轮的最小疲劳寿命周期进行预测.研究结果表明:叶轮在旋转过程中承受周期性交变应力的作用;叶轮叶片进、出口边与前、后盖板交接处容易发生内部应力集中,最大应力出现在叶片出口边与前盖板交接处,为142.57 MPa;叶片各危险部位承受应力波峰和波谷的时间基本一致;叶轮产生的疲劳为应力疲劳,疲劳破坏首先发生在叶片进口边与后盖板交接处;计算得到叶轮的疲劳寿命为277.94 a.研究结果可为叶轮的动态强度优化和疲劳设计提供一定参考.

离心泵轴承疲劳寿命仿真分析及试验验证

针对工程中常出现的离心泵轴承实际寿命低于其设计寿命问题,以IS 100-80-160型离心泵为研究对象,对其进行数值仿真,将多个工况下的仿真结果与工程中校核泵轴承寿命的Steponff经验公式进行对比,发现Steponff公式计算出的径向力值偏小.为分析Steponff公式计算的轴承寿命校核误差,将径向力加载至轴承内圈进行有限元疲劳寿命仿真分析,并搭建离心泵径向力及轴承寿命试验台进行试验验证.结果表明:径向力计算误差以及工况变化将产生较大的轴承寿命偏差,该偏差在额定工况下最大,且随着径向力变大而逐步减小;与ISO寿命计算结果对比,数值仿真疲劳寿命安全系数更高;Steponff公式的计算值不够准确,将导致轴承实际寿命与其设计寿命相差极大;在大型低比转数离心泵轴承选用中,需考量Steponff公式的适用范围,同时可应用数值仿真校核其额定寿命.研究结果可为大型泵轴承寿命校核提供一定的依据.

基于CWT-CNN的离心泵轴承故障识别方法

针对传统的轴承故障诊断方法在面对强噪声和非平稳信号识别时特征提取过度依赖先验知识和专家经验等问题,结合传统的信号处理方法和深度学习算法提出一种基于CWT-CNN的离心泵轴承故障识别方法。连续小波变换(CWT)将原始的1D振动信号转化为故障特征信息更丰富的2D时频图,2D时频图再输入到卷积层完成特征的自动提取,最后SoftMax层完成故障识别。经过西储大学公开轴承数据集和实验室搭建的离心泵振动轴承采集实验台验证,该方法的故障识别准确率均能达到90%以上。

不同通风策略下大规模鸭粪堆肥的腐熟和光谱特征

[目的]鉴于鸭粪处理的固有挑战,有效的通风措施是鸭粪工业堆肥过程成功的关键。这项开创性的研究旨在评估来自鸭粪和蘑菇废弃物堆肥的腐熟度和稳定性。本研究进一步探讨了各种通风策略在促进堆肥过程中有机物分解和转化方面的有效性和效率。[方法]将鸭肥和蘑菇废弃物按干重比为2∶1(C/N约为21.15)混合进行堆肥试验。堆肥采用梯形桩,每桩体积5.6 m^(3),采用管道通风。堆肥试验包括4个通气时间处理,分别为10、20、30、60 min/d(分别记作C1、C2、C3和C4处理)。主要研究了堆肥过程中物理化学特性、紫外-可见光谱、X射线衍射(XRD)和红外光谱(IR)的变化特征。[结果]在堆肥第5天和第6天,堆肥进入嗜热期,持续17天,第15天达到50℃。在堆肥前5天,堆肥pH从8.5迅速上升到12.3,可能是由于鸭粪蛋白质的分解,然后在接下来的20天里逐渐下降,在28~30天急剧下降,之后逐渐下降。在高温期(第17天)后,堆肥C1、C2、C3和C4处理的含水量较堆肥初期分别减少了45.9%、46%、44.7%和43%。C3和C4处理的TC值远低于C1和C2。所有堆肥处理的紫外吸收均随波长的增加而降低。在X射线衍射图中存在部分纤维素特征峰(2θ=26.56°)。这些样品含有更多的结晶和“无定形”纤维素、木聚糖和其他多糖。在200~220 nm光谱范围内,硝酸盐和羧基类化学物质的吸收速度比芳香族或不饱和分子快。堆肥的吸收率随初始碳氮比和堆肥过程的持续时间而变化。相反,在460~480 nm处的吸光度表明有机材料的腐殖质化。Q2/6或Q4/6值越低,表明有机物腐殖化程度越高和越多的有机物缩合成芳香族化合物。在红外光谱中,整个堆肥过程中与有机或无机官能团相关的所有条带的强度都有明显的变化。红外光谱显示出一个宽峰,中心波数为3400 cm^(-1),表明存在与羟基(OH)基团和水分子相关的拉伸振动。在3000~2800 cm^(-1)的光谱范围内,可以观察到一个与有机化合物所表现出的疏水特性相关的现象。在2900~2850 cm^(-1)处存在的条带可以归因于C-H脂肪族基团和醛基基团(CHO)的伸缩振动。初始堆肥样品和C1、C2、C3、C4的红外光谱在堆肥过程中发生了显著变化。由于这些变化,红外光谱吸收带发生了显著的变化,表明相关的物质结构发生了变化。因此,C3和C4在堆肥过程中表现出较高程度的稳定性。[结论]65天的堆肥试验显示,在整个堆肥过程中,温度发生变化,通风60 min/d的堆肥最高温度高于通风10 min/d的堆肥。在堆肥过程中,随着通气量的增加,pH呈下降趋势,因此,日通风30~60 min的堆肥pH较低。堆肥过程中,堆料C/N逐渐降低,表明纤维素活性增加。XRD光谱显示峰值强度降低,反映了纤维素的分解。日通风30~60 min堆肥表现出较高的成熟度,突出了通风对成功堆肥的重要性。

基于数据驱动的离心泵轴承特征分析及寿命预测

离心泵是工业中能量转换和流体输送的核心设备,其部件滚动轴承的可靠性对整个机组的安全运行尤为关键。为了解决目前滚动轴承寿命预测问题,对滚动轴承剩余寿命的最佳预测方案进行了研究。首先,从数据驱动和试验出发,利用试验台采集所得的离心泵轴承正常及故障状态下的数据,分析了时域、频域、时频域各特征在不同工况中的表现差异,发现了时域特征、频域特征、小波包分解能量特征、完全自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)能量特征可以捕捉到不同工况下的故障信息;然后,以单调性、趋势性指标加权分数为依据,结合特征的敏感性分析结果,优选出了轴承在全寿命周期中表现突出的12个特征,经核主成分分析(KPCA)-长短期记忆网络(LSTM)降维处理后,构建出了能够表征离心泵轴承退化过程的一维特征量;最后,对比分析了LSTM网络、反向传播(BP)网络和卷积神经(CNN)网络的预测效果。研究结果表明:LSTM网络的均方根误差(RMSE)为0.402,平均绝对百分比误差(MAPE)为0.332,预测精度在三者中最好,模型平均训练时间为12.6 s,可见LSTM网络在预测精度及模型训练时间上更具优势。

1000 MW水轮机多工况运行水力损失及熵产特性分析

为研究1000 MW混流式水轮机组多工况运行时产生的水力损失,使用SST k-ω湍流模型进行数值模拟计算.根据热力学第二定律,基于熵产理论对3种常见出力工况下的水轮机进行水力损失研究,主要是对流动过程中的熵产分布和流场进行分析,从而得到水力损失的具体空间分布情况.研究结果表明:湍流熵产和壁面熵产占水轮机系统总熵产的99%以上,时均速度引起的直接熵产几乎可以忽略不计.熵产主要集中在导叶、转轮和尾水管3个部件,导叶无叶区的高速流动造成较大速度梯度,使得高局部熵产(LEPR)出现在无叶区.转轮内的回流、流动分离等不稳定流动,使得高LEPR区出现在转轮叶片的前缘和尾缘处.尾水管在额定出力下流态最好,偏额定出力工况会在直锥段出现螺旋状涡带或直柱状涡带,且在靠近入口的直锥段中心出现局部回流,导致高LEPR区出现在此处.导叶和转轮在超出力工况产生较大的水力损失,尾水管则在低出力工况下的水力损失较大.

核电厂海水循环泵肘形进水流道优化设计

为提高核电厂海水循环泵运行的稳定性,基于CFD数值模拟对海水循环泵肘形进水流道进行优化设计。以国内某核电厂的进水流道为研究对象,建立全新坐标系,通过理论推导得出肘形流道控制参数之间的函数关系,根据流道性能评判指标等参数,通过数值模拟研究肘形进水流道4个重要控制参数对流道水力性能的影响,优选出最佳方案并进行试验验证。结果表明,在设计流量下优化后的流道出口平均流速提高了0.026 m/s,流速分布均匀度降低0.13%,水流平均角度提高0.034°,水力损失降低11.2%。本文的研究结果显示提出的肘形流道优化设计方法快速、可靠,具有出口流态较好、水力损失较小等优点,可为工程建立提供一定的参考。

离心泵压力脉动特性分析

为了研究压力脉动在离心泵不同位置的变化规律及其关系,利用CFD技术对离心泵内部流场进行多工况定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行频域分析。结果表明,设计工况和大流量工况下,叶频是主要影响频率,而在小流量工况下,轴频是主要影响频率;压力脉动幅值随偏离工况的情况而变化,同一流量下,流道的进出口压力脉动变化大。

核主泵小流量工况压力脉动特性

为研究小流量工况下核主泵内部压力脉动的变化规律,基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε两方程及SIMPLEC算法,应用CFX软件对核主泵小流量工况进行定常和非定常数值计算,得到泵内部流场和各工况监测点的压力脉动,并将时域信号进行快速傅里叶变换为频域信号。结果表明:核主泵内压力脉动明显,叶频在由压力脉动诱发的振动中起主导作用,主要表现为叶轮和导叶间的动静干涉。叶轮导叶流道内的回流造成了小流量工况叶轮和导叶流道及其周向的不稳定压力脉动,回流主要存在于叶轮和导叶进出口位置,因此该区域的压力波动剧烈且周期性差。核主泵的振动,不利于核电站的安全稳定运行,通过对小流量工况的压力脉动分析,对预测核主泵在极端工况下的动态特性和推进核主泵国产化具有十分重要的意义。

饲粮添加不同水平三丁酸甘油酯对断奶仔猪生长性能、血清生化指标、肠组织形态和养分消化率的影响

本试验旨在研究饲粮添加不同水平三丁酸甘油酯对断奶仔猪生长性能、血清生化指标、肠组织形态和养分消化率的影响。选取平均体重为7.66 kg的21日龄“杜×长×大”断奶仔猪200头,随机分为5组,每组5个重复,每个重复8头猪。对照组饲喂添加40 mg/kg杆菌肽锌的基础饲粮,试验Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组在基础饲粮中分别添加1000、1500、2000、2500 mg/kg三丁酸甘油酯,试验期为42 d。结果表明:与对照组相比,饲粮中添加2000和2500 mg/kg三丁酸甘油酯显著提高了仔猪平均日增重(P<0.05),显著降低了料重比(P<0.05),显著增加了血清中免疫球蛋白M含量(P<0.05);饲粮中添加1500、2000、2500 mg/kg三丁酸甘油酯显著提高了仔猪血清葡萄糖和总蛋白含量(P<0.05),显著提高了空肠、回肠的绒毛高度和绒毛高度/隐窝深度(P<0.05),显著提高了仔猪对饲粮中粗蛋白质、粗脂肪、钙和磷的表观消化率(P<0.05),显著降低了血清中球蛋白含量和二胺氧化酶活性(P<0.05);饲粮中添加1000 mg/kg三丁酸甘油酯显著提高了血清中总蛋白含量(P<0.05),显著降低了血清中二胺氧化酶活性(P<0.05),显著提高了仔猪对饲粮中粗蛋白质和粗脂肪的表观消化率(P<0.05)。由此可见,仔猪饲粮中添加1000~1500 mg/kg三丁酸甘油酯可替代抗生素药物添加剂;饲粮中添加2000~2500 mg/kg三丁酸甘油酯不仅可替代抗生素药物添加剂,而且可显著提高仔猪生长性能,改善肠组织形态,增强免疫力,提高养分消化率。

1000MW级核主泵压水室出口压力脉动

为了研究压力脉动在核主泵压水室出口处的变化规律及其影响因素,以国内某1 000 MW核电站主泵为研究对象,应用计算流体动力学软件Fluent进行定常与非定常三维数值模拟,得到压水室内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行时域和频域分析.结果表明:回流是引起压水室与出口交接处压力脉动的原因之一;在不同工况下压水室出口及其前后区域内存在明显的压力脉动,偏离额定工况越大,压力脉动波动幅度越大;压水室出口及其前后区域内,上侧的脉动幅度比下侧小,上侧的平均脉动幅度CA在0.9Q时为11.15%,在1.0Q时为9.62%,在1.2Q时为13.78%,下侧的平均脉动幅度,在0.9Q时为13.62%,在1.0Q时为12.53%,在1.2Q时为15.79%;靠近导叶出口处,泵壳两侧处的脉动幅度要大于靠近出口轴线附近的脉动幅度,远离导叶出口处,泵壳内的脉动幅度从上侧到下侧,逐渐递增;在额定工况时转频是各监测点压力脉动的主要影响因素,在小流量和大流量时转频和叶频是各监测点压力脉动的主要影响因素.

双叶片泵内压力脉动的数值模拟

为分析双叶片泵内压力脉动特点及其主要影响因素,采用RNGκ-ε模型对由叶轮水体、蜗壳水体及叶轮进口延伸段水体组成的三维计算区域进行3种不同工况下的非定常计算。通过分析计算模拟数据得出压力脉动时域图及频谱图,结果表明,双叶片泵内压力波动呈正弦周期性变化,进口处监测点压力波周期为其他监测点的2倍;压力脉动主要与泵内动静耦合作用有关,叶轮进口压力脉动主频等于叶轮的转频,叶轮与蜗壳耦合处及蜗壳出口压力脉动主频等于叶轮转频与叶片数的乘积,不同流量下同一监测点具有相同的主频,但其主频幅值不同,小流量下幅值最大,设计流量下幅值最小,叶轮与蜗壳耦合处压力脉动从隔舌处开始在叶轮旋转方向上逐渐衰退,所得结论对掌握双叶片泵内压力脉动产生的原理及其特性具有重要的指导意义。

螺旋轴流泵内部流场与压力脉动研究

为研究螺旋轴流泵内部流场及其压力脉动特性,应用ICEM对其过流部件进行网格划分,采用CFX软件对其进行定常和非定常数值模拟,得到泵内部流场和各监测点的压力脉动。结果表明:0.8Q工况时,在叶轮轮毂与叶片结合处存在局部高压区和漩涡,随着流量的增大,局部高压区和漩涡逐渐减小并消失;设计工况和1.2Q工况时,泵内部压力和速度分布逐渐均匀,流动平稳,入流平顺。导叶进出口的压力系数波动幅值明显大于叶轮进出口边,具有明显的波峰与波谷,压力脉动主要产生在低频区,并呈现周期性降低的趋势,且其幅值均在固有频率的整数倍处产生。各监测点中,进口边压力脉动幅值最大,且轮缘侧大于轮毂侧,出口边监测点压力波动较为均匀,振幅不大。泵运行全过程中,获得了平滑下降的流量扬程曲线和功率曲线,无马鞍区、无过载现象发生,满足设计要求,预测曲线与试验曲线基本吻合,表明数值模拟较为准确,对螺旋轴流泵的设计具有一定的指导意义。

反应堆主泵压水室出口收缩角对水力性能的影响

针对国内某百万千瓦核反应堆主泵的水力性能要求,完成主泵叶轮和导叶的设计;为研究出口收缩角对水力性能的影响,设计了13种压水室出口收缩角,采用三维软件Pro/E完成了三维造型;利用计算流体力学（CFD）软件Fluent进行定常与非定常三维数值模拟,得到内部流场特性及计算点的压力脉动情况,并对其进行分析。结果表明：收缩角对压水室与出口交接处的前后区域影响显著,收缩角在12°~16°范围内,主泵效率均在70%以上,=15°时效率达最大值74.2%;在=15°且其他结构参数不变的情况下,随着流量的降低,主泵叶轮进口前和导叶出口处回流区域逐渐扩大;随着流量的增加,叶轮进口前回流区域逐渐向叶轮进口偏移;回流是引起压水室与出口交接处压力脉动的主要原因;偏离工况越大,压水室出口处的压力脉动波动越严重。

基于CFD技术的核电站上充泵全流场数值模拟

为研究核电站上充泵内部流动规律,基于计算流体动力学(CFD)技术,采用Reynolds时均N-S方程和标准k-ε湍流模型,压力、速度耦合使用SIMPLEC算法,对1 000 MW核电站离心式上充泵全流场的三维定常湍流进行数值模拟,得到上充泵各级叶轮-导叶内部的速度、静压以及湍动能分布图,并对其内部流动状态进行分析.在数值模拟的基础之上,对4级上充泵样机进行了性能试验,并且换算成12级实型泵的性能,将性能试验结果和模拟性能预测结果进行对比.数值模拟结果表明:在叶轮、导叶间隙处出现局部低压区;叶轮出口和导叶进口交界区域速度分布不均匀,局部区域有逆流和旋涡,造成部分水力损失;叶轮出口和导叶进口处的湍动能较大,且分布极不规律,有较大的能量损失.从数值模拟的结果可以得到上充泵内部流动水力损失严重的区域,为进一步优化上充泵的设计提供参考.数值模拟和试验两者的结果吻合较好,验证了计算模型和换算结果的正确性.

螺旋轴流泵的固液两相流动数值模拟

为研究螺旋轴流泵输送含有沙、油和水的固液两相时内部的流动情况,基于Ansys CFX软件,应用RNG k-ε湍流模型,采用固相颗粒直径为2 mm,初始体积分数分别为5%,10%,15%,以及液相油初始体积分数分别为5%,10%,15%时,对螺旋轴流泵叶轮流道内固液两相流场内部变化规律进行数值计算.结果表明:沙和油的分布规律相似,主要集中于叶轮进口边轮毂头部、叶轮外缘区域;当沙和油的初始体积分数改变时,其对应的过流部件内体积分数分布也发生了变化,分布区域也有所改变,说明沙和油两相互相影响对方的分布;当沙和油的初始体积分数一定时,各相的相对速度变化规律总体上趋于一致,其相对速度由大到小依次为沙、油和水;扬程和效率的计算曲线与试验曲线基本吻合,扬程误差值在3%左右,效率误差值在4%左右,说明试验方案的设计合理可行,数值模拟结果较为准确.

低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流三维数值模拟

阐述低比转数离心泵叶轮内汽蚀两相流基本理论,采用两相流混合模型对叶轮内定常三维湍流汽蚀流场进行数值模拟。根据计算结果的液相和空泡相主要流动特征,分析汽蚀发生过程叶片上的静压分布,揭示叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。

饲粮添加三丁酸甘油酯和核苷酸对断奶仔猪生长性能、血清生化指标和肠组织形态的影响

本试验旨在研究饲粮添加三丁酸甘油酯和核苷酸对仔猪生长性能、血清生化指标和肠组织形态的影响。选择21日龄、体重为8.4 kg左右的健康杜洛克×长白×大约克(DLY)三元断奶仔猪160头,随机分为2组,每组10个重复,每个重复8头。对照组饲喂基础饲粮,试验组饲喂在基础饲粮中添加0.20%三丁酸甘油酯和0.15%核苷酸的试验饲粮,试验期为38 d。结果表明:1)与对照组相比,饲粮添加三丁酸甘油酯和核苷酸显著提高了断奶仔猪的平均日增重(P<0.05),极显著降低了腹泻率(P<0.01),显著提高了血清免疫球蛋白A、免疫球蛋白G、免疫球蛋白M以及球蛋白含量(P<0.05),显著降低了血清二胺氧化酶活性和葡萄糖含量(P<0.05);2)与对照组相比,饲粮添加三丁酸甘油酯和核苷酸显著提高了断奶仔猪十二指肠和空肠绒毛高度和绒毛高度/隐窝深度值(P<0.05),显著提高了空肠内容物胰蛋白酶和麦芽糖酶活性(P<0.05)。由此可见,饲粮添加0.20%三丁酸甘油酯和0.15%核苷酸可促进仔猪生长,提高机体免疫力,降低断奶应激对肠道的损伤,提高消化酶活性,改善仔猪的消化吸收功能。

气液两相条件下核主泵导叶出口边安放位置

为了研究气液两相条件下,不同导叶出口边安放位置对核主泵内部压力脉动、含气率脉动的影响,并最终找出最佳的导叶出口边安放位置,采用三维数值模拟软件CFX模拟泵内部的瞬态流场,在泵壳内壁面和出口不同位置设置监测点,以了解各模型内部不同时刻、不同位置的压力、含气率分布.对比不同模型相同点的压力脉动、含气率脉动的时域、频域图可以发现:导叶出口边在泵壳中心平面(C-C平面)时,泵壳壁面上各点所受压力较小且较平稳,即压力脉动引起的振动、噪声较小,从安全性方面考虑,此时导叶出口边安放位置最佳;泵壳壁面上的压力脉动主要受叶轮的转动影响;除了类似隔舌处外,叶轮的转动对泵壳壁面和出口含气率脉动的影响不大,沿着液体绕流方向泵壳内壁面上的含气率逐渐增大,到出口达到最大.