高温熔盐泵是一种长轴立式离心泵,在太阳能光热发电系统中,它是核心的动力设备,其长时间工作在高温熔盐环境中,一旦因故障停止运作将会对整个发电系统产生严重影响,因此对高温熔盐泵的设计需要有更高的要求。本型高温熔盐泵所输送介质温度为300°C-565°C,其独特的结构导致内部流动的复杂性,内流场与结构之间存在着相互作用,水力激振能够使泵体诱发振动,在热载荷的共同作用下会使结构产生较大的应力与变形。本文在江苏省成果转化项目(BA2016167)和江苏省重点研发计划项目(BE2015146)的资助下,针对太阳能光热发电系统高温熔盐泵进行了相关研究,分析了不同温度条件下熔盐泵的内流特性,基于流固热多场耦合方法模拟并分析了熔盐泵叶轮温度、应力以及变形情况,为高温熔盐泵的研发提供技术支撑。本文主要工作与研究成果如下:(1)根据青海德令哈50MW塔式太阳能光热发电站示范工程高温熔盐泵的设计要求,针对叶轮、空间导叶进行了多方案水力设计,并通过CFD方法进行了数值模拟和性能预测,对比分析了不同方案的高温熔盐泵性能以及内部流动特性,确定最终水力优化方案。(2)根据高温熔盐介质的特性,模拟真实运行情况,对熔盐泵内流进行了全流场数值计算,并分析了不同温度介质下的熔盐泵水力性能。数值模拟结果表明,熔盐泵扬程与效率的模拟结果均高于实验值,但随着流量的升高泵内流动情况逐渐稳定,在熔盐介质下,随着温度的升高介质密度与粘度随之减小,扬程与效率逐渐降低。从熔盐泵内流场的分析可以看到,叶轮叶片表面压力从进口到出口逐渐增大,工作面压力高于背面,随流量增大各部位压力逐渐减小。在熔盐介质工况条件下,介质温度越高表面压力越小,但整体高于清水介质。(3)基于不同工况的高温熔盐泵内流分析,系统分析高温工况下叶轮轴向力、径向力和载荷分布特性。数值模拟结果表明,叶轮所受轴向力远大于径向力,相同工况熔盐介质条件下的轴向力高于清水介质,熔盐温度升高轴向力呈小幅减小趋势。随着流量的增大,轴向力逐渐减小,与扬程变化趋势相同。各个温度工况条件下叶片表面载荷最大位置在轮缘处,从轮缘到到轮毂表面载荷逐渐减小,在熔盐介质下随着温度的升高叶片表面载荷总体逐渐减小。(4)基于流固热耦合技术对高温熔盐泵叶轮进行了数值模拟和分析,模拟结果表明,叶轮温度呈对称分布,最高温度点位于前盖板口环和叶片出口,最低温度区域则处于轮毂与叶片进口的交线附近,且叶轮最高温度值随流量增加呈下降趋势。在叶轮受到各载荷共同作用时,前后盖板应力的梯度分布与它们之间的叶片位置有很强的相关性,应力集中主要出现在叶片出口与前后盖板连接处,在各载荷作用中流体压力与惯性力载荷占主导作用。叶轮变形呈现明显的对称分布特征,在前后盖板与叶片相接触位置能够看到区域变形较小,此处有明显的应力集中,温度载荷是造成叶轮形变的主要因素。在进行强度校核后证明原有结构强度满足要求,正常运行时叶轮不会因强度问题发生损坏。(5)为了保证高温熔盐泵的的转子系统稳定可靠运行,基于有限元分析方法,对熔盐泵多级叶轮转子结构进行了模态分析,数值计算结果表明,在外部载荷的影响下固有频率有一定程度的上升,振幅的变化并不明显,通过分析转子结构的临界转速,表明该转子结构在运行时不会发生共振,确保高温熔盐泵的运行可靠性。