核电是电力工业重要的分支之一,在电力工业的整体组成中有着举足轻重的地位,中国核电的发展有非常大的空间与潜力,要安全平稳的推进核电的发展。核主泵是核岛一回路中,用于驱动冷却剂内循环流动的泵,能够长时间稳定安全地运行对于防止核电站事故的发生极为重要。随着核电事业的发展,核电站对核主泵的水力特性、外特性以及运行稳定性提出了更高的要求。由于反应堆一回路蒸汽发生器下腔室与核主泵的直连结构,会导致核主泵进口来流为非均匀来流,该非均匀来流对核主泵运行的安全性和稳定性尚不明确。本文以小堆核主泵为研究对象,首先根据设计要求对小堆核主泵的叶轮导叶进行设计,以得到性能较优的水力模型,采取正交试验的方法对其进行优化并通过试验进行验证。建立下腔室-核主泵耦合模型,并通过数值模拟的方法对泵外特性、内部流动特性、空化性能、压力脉动以及径向力进行分析。之后通过对比直管模型与下腔室-核主泵耦合模型的外特性,内部流动以及空化性能,分析小堆核主泵与下腔室的直连所产生的泵入口非均匀来流对核主泵性能的影响。本文所做的主要工作有:1.总结并归纳了关于核主泵水力设计与非均匀来流相关的国内外研究现状,分析了小堆核主泵研究的背景及工程意义,并确定各章的主要研究内容。2.采用速度系数法对小堆核主泵的叶轮导叶进行设计,之后利用ANSYS软件对小堆核主泵模型进行了正交优化试验,采用6因素3水平的正交表对其进行水力性能优化,并将优化前后的外特性进行对比。结果表明:通过对初始模型的正交优化并进行极差分析,得到优化后的模型参数为叶片出口宽度d2=95mm,叶轮出口直径D2=303mm,叶片出口安放角β2=27.4°,导叶叶片数量Zd=12片,导叶进口冲角Δα=7.5°,导叶出口角α=20°,在设计工况1500m~3/h的工况点附近,优化后的扬程为16.0m,相比于优化前的扬程16.3m降低了0.3m,优化后的效率为82.5%,相比于优化前的效率81.7%增加了0.8%,满足设计参数要求。3.对正交优化的结果进行试验验证,得到优化后模型的外特性和空化性能数据,并将试验结果与数值模拟结果进行对比,来验证数值模拟的准确性和正交优化的可行性,结果表明:在设计工况下,数值模拟结果为扬程为16.0m,试验结果扬程为15.5m,试验结果满足设计参数要求,且模拟值高于试验值3.2%,其误差小于5%。数值模拟结果的效率为82.5%,试验结果效率为81.2%,试验结果满足设计参数要求,且数值模拟效率高于试验数据1.3%,空化试验中在设计工况下扬程下降3%时的空化余量为7.38m,满足设计要求,验证了数值模拟的准确性和正交优化的可行性。4.对小堆核主泵数值计算方法进行总结,并通过对一回路的结构分析,总结小堆核主泵入口非均匀来流的成因。建立下腔室-核主泵耦合模型,采用CFD软件数值计算模拟分别对定常下的外特性、内部流动、空化性能以及非定常下的压力脉动和径向力进行分析。将直管模型与下腔室-核主泵耦合模型的外特性、内部流场以及空化性能进行对比,分析分析入口非均匀来流对小堆核主泵性能的影响。通过分析发现:在设计流量Q=1500m~3/h下,扬程为14.9m,相比直管模型下降7.4%,效率为80.9%,相比直管模型下降1.6%;其流线表明下腔室特殊结构会使得下腔室内形成明显回流结构,产生横向压差,从而使得流体在流入收缩管段时,流动方向发生倾斜;在收缩管段发展的过程中,流体撞击壁面产生沿壁面的回流,从而在叶轮进口截面形成关于X轴对称的两个集中涡结构;扬程下降3%的工况点为进口压力59000Pa,此时空化余量为5.71m,相比直管模型的4.97m有所增加;泵轴频为fn=n/60=24.67Hz;叶频为叶片数与转频乘积为5fn=123.33Hz,所得数据与泵设计参数吻合;径向力呈现不规则状,无法相互对消。随着进口压力减小,模型空化余量减小,空泡从叶片表面靠近叶轮进口处开始向整个叶片表面蔓延;下腔室模型的蔓延面积在每个叶片上出现的不同的形状,而直管模型相对中心对称。