[发明专利]一种核主泵叶轮的多目标模糊水力优化设计方法

摘要

本发明涉及一种核主泵叶轮的多目标模糊水力优化设计方法。核主泵对其能安全稳定长期运行有着严格的要求，其必须具有很高的抗汽蚀性能。同时当全厂断电使核主泵进入停机惰转运行时，要求核主泵具有较长的惰转时间以尽量降低流量突变，确保断电后堆芯安全。本发明主要建立以核主泵的停机惰转工况下半流量惰转时间最长、同时抗汽蚀性能良好为目标，以叶轮的主要设计参数进口直径D₁，出口直径D₂，进口叶片宽度b₁，出口叶片宽度b₂，叶片进口安放角β₁，叶片出口安放角β₂和叶片数z为设计变量，对叶轮的几何参数采用基于SUMT法和复合形法的多目标模糊优化设计方法进行优化，从而得到最优的叶轮几何设计参量，设计出优秀几何模型。

主权项

1.一种核主泵叶轮的多目标模糊水力优化设计方法，其特征在于,建立以核主泵的停机惰转工况下半流量惰转时间最长、同时抗汽蚀性能良好为多目标函数，以叶轮的主要设计参数进口直径D1，出口直径D2，进口叶片宽度b1，出口叶片宽度b2，叶片进口安放角β1，叶片出口安放角β2和叶片数z为设计变量，对叶轮的几何参数采用基于SUMT法和复合形法的多目标模糊优化设计方法进行优化，从而得到最优的叶轮几何设计参量；目标函数的建立如下：(Ⅰ)分目标函数一：核主泵在惰转工况下的半流量惰转时间为：T＝5.762γ(1‑0.1819×106ΔP)  (1)式中：T—核主泵惰转工况下半流量惰转时间，s；γ‑惰转系数；ΔP—核主泵总损失，W；式中：ns—核主泵比转速；ΔP＝Pm+Pv+Ph  (3)式中：Pm—核主泵机械损失，W；Pv—核主泵容积损失，W；Ph—核主泵水力损失，W；式中：N—轴功率，W；D2—核主泵的叶轮出口外径，m；其中：D20—核主泵的叶轮最小外圆直径，m；D21—核主泵的叶轮最大外圆直径，m；Q—流量，m3/s；H—扬程，m；η—效率，％；式中：ρ—冷却液密度，kg/m3；g—重力加速度，m/s2；n—转速，r/min；Qt—理论流量，m3/s；β2—核主泵叶轮叶片出口安放角，°；λ2—核主泵叶轮叶片出口轴面流线与轴面截线夹角，°；b2—核主泵叶轮叶片出口宽度，m；δ—核主泵叶轮叶片真实厚度，m；Pv＝ρgqHt  (6)式中：q—泄漏流量，m3/s；Ht—理论扬程，m；式中：Hc—叶轮密封环间隙两侧压力降，m；Rc—叶轮进口密封半径，m；B—密封间隙值，m；L—密封长度，m；式中：ω—旋转角速度，rad/s；b1—核主泵叶轮叶片进口宽度，m；b2—核主泵叶轮叶片出口宽度，m；D1—核主泵的叶轮进口外径，m；D2—核主泵的叶轮出口外径，m；ψ1、ψ2—核主泵叶轮叶片进、出口叶片排挤系数；其中：β1—核主泵叶轮叶片进口安放角，°；λ1、λ2—核主泵叶轮叶片进、出口轴面流线与轴面截线夹角，°；z—核主泵叶轮叶片数；将以上(2)～(9)待入(1)式，则T可表示为独立变量b1,b2,β1,β2,D1,D2,z的函数，即分目标函数一：minT(X)设计变量X＝[b1,b2,β1,β2,D1,D2,z]T＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]T分目标函数写成标准形式：minf1(X)(Ⅱ)分目标函数二：核主泵汽蚀性能的好坏同样是评价其性能的重要指标，下面建立汽蚀性能的目标函数：式中：NPSHr—核主泵的汽蚀余量；K1—叶片进口压降系数，则NPSHr可表示为独立变量b1,β1,D1,z的函数，分目标函数二可表示为：minNPSHr(X)设计变量X＝[b1,b2,β1,β2,D1,D2,z]T＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]T分目标函数二写成标准形式：minf2(X)综上所述，目标函数可写成：minF(X)＝[f1(X),f2(X)]T；设计变量的约束条件如下：gh(X)＝‑xh≤0 (h＝1,2,,…7)(18)上述(11)～(17)模糊约束可表示为多目标模糊优化方法过程如下：此核主泵叶轮多目标模糊优化设计数学模型可简化为：X＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]TminF(X)＝[f1(X),f2(X)]gh(X)≤0 (h＝1,2,…7)其优化过程按以下步骤流程进行：(a).采用二级模糊综合评判法确定最优水平截集下的λ*；(b).采用并行结构分别求解以下问题：①调用复合形法求解转化得到的普通优化问题1：Find X＝[x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7]minf1(X)gh(X)≤0得最优解和最坏解f₁^*，②运用SUMT法求解转化得到的普通优化问题2：Find X＝[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7]minf2(X)gh(X)≤0得最优解和最坏解(c).根据所得解集构造函数(d).采用复合形法求解转化得到的最终数学模型：Find X＝[x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7]maxN(X)gh(X)≤0其中：σU为下过渡区间上界；σL为下过渡区间下界；为上过渡区间上界；为上过渡区间下界；得最终最优解X*最和最优值N(X*)；(e).根据最优解集设计出优秀水力模型。