蒲道林

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

轉(zhuǎn)速對(duì)AP1000核主泵水力性能影響的試驗(yàn)研究

蒲道林

（上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233）

摘.：為研究轉(zhuǎn)速對(duì)AP1000核主泵水力性能的影響，制造一臺(tái)核主泵水力模型樣機(jī)，通過變頻改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別對(duì)比了核主泵在 50Hz（ 1495r/min）、40Hz（ 1195r/min）、30Hz（ 895r/min）3 種不同轉(zhuǎn)速下的 Q-H、Q-P、Q-η 曲線，運(yùn)用相似比例定律，變換得到相似變換曲線，對(duì)比試驗(yàn)和相似變換曲線，得到結(jié)果如下：50Hz時(shí)該水力樣機(jī)的過流部件滿足設(shè)計(jì)要求，其性能曲線具有混流泵的特點(diǎn)，有無過載特性，高效區(qū)較寬，大流量時(shí)具有較高的效率；壓水室截面形狀對(duì)核主泵水力樣機(jī)性能變化趨勢(shì)影響有限，決定其性能的主要因素在于葉輪；轉(zhuǎn)速改變時(shí)外特性曲線變化趨勢(shì)相同，但轉(zhuǎn)速降低，揚(yáng)程下降緩慢，Q-H曲線相對(duì)平坦，最大軸功率點(diǎn)向大流量偏移，泵的總體效率下降，最高效率降低，同時(shí)高效區(qū)變窄。轉(zhuǎn)速降低超過20%相似比例變換公式失效，引入了修正系數(shù)對(duì)相似變化曲線進(jìn)行修正。

水力性能；核主泵；外特性；轉(zhuǎn)速；相似變換

1.言

核主泵（又稱反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵）作為核島內(nèi)唯一的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其能否可靠運(yùn)行將直接影響反應(yīng)堆工作的安全性。因此，對(duì)核主泵的深入研究顯得尤為重要，也很有意義。為此國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，文獻(xiàn)[1]對(duì)壓水堆核主泵在兩相流時(shí)泵內(nèi)壓頭以及失水工況下運(yùn)行的可靠性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]對(duì)不同工況下核主泵內(nèi)部流動(dòng)的壓力和溫度分布進(jìn)行了瞬態(tài)分析；文獻(xiàn)[3-4]分別通過試驗(yàn)和模擬對(duì)斷電事故工況下核主泵的安全性能以及內(nèi)部流場進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[5-6]分別研究了導(dǎo)葉進(jìn)口邊相對(duì)位置和導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對(duì)核主泵性能的影響；文獻(xiàn)[7]通過數(shù)值模擬研究了泵殼對(duì)核主泵性能的影響。從上述研究文獻(xiàn)可以看出，現(xiàn)有針對(duì)核主泵的相關(guān)研究均未涉及轉(zhuǎn)速對(duì)其水力性能的影響，而核主泵在啟動(dòng)、失水、停機(jī)等多種工況下又均會(huì)發(fā)生在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行的情況，但對(duì)此研究未見報(bào)道。然而外特性作為衡量泵性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，轉(zhuǎn)速又是影響泵性能的重要因素，對(duì)二者的研究尤為重要，因此國內(nèi)外學(xué)者在對(duì)離心泵等的研究中，有大量工作是涉及轉(zhuǎn)速的影響，文獻(xiàn)[8-10]分別對(duì)離心泵的流場和外特性進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[11]對(duì)泵的外特性試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)；文獻(xiàn)[12]通過試驗(yàn)研究轉(zhuǎn)速對(duì)離心式油泵空化以及性能的影響，并指出了粘性流體空化換算系數(shù)和粘性換算規(guī)律；文獻(xiàn)[13]通過數(shù)值模擬研究了轉(zhuǎn)速對(duì)離心泵性能的影響，同時(shí)分析了調(diào)速所帶來的節(jié)能效應(yīng)；文獻(xiàn)[14-15]通過研究轉(zhuǎn)速對(duì)泵的影響，指出通過調(diào)頻調(diào)速可以降低能耗，同時(shí)提出了相應(yīng)的計(jì)算方法。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)帶有導(dǎo)葉且壓水室為類球形的AP1000核主泵水力樣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的外特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并結(jié)合試驗(yàn)提出相應(yīng)的相似換算規(guī)律。

2.力樣機(jī)與試驗(yàn)裝置

2.1.力樣機(jī)介紹

對(duì)于該水力樣機(jī)的設(shè)計(jì)過程如下：參照AP1000核主泵主要參數(shù)，如表1所示。對(duì)比現(xiàn)有比轉(zhuǎn)數(shù)在（340～360）的水力模型，選取最優(yōu)模型，應(yīng)用強(qiáng)制漩渦法和速度系數(shù)法設(shè)計(jì)水力樣機(jī)的葉輪和環(huán)形壓水室。通過上述設(shè)計(jì)的水力樣機(jī)具體參數(shù)如下：設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量1200m3/h，揚(yáng)程18m，葉片數(shù)5，導(dǎo)葉數(shù)11，進(jìn)口直徑350mm，出口直徑350mm，轉(zhuǎn)速1450r/min，配套電機(jī)功率110kW。結(jié)合國外核主泵結(jié)構(gòu)，本試驗(yàn)采用的AP1000核主泵水力樣機(jī)外形結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該水力樣機(jī)采用軸向進(jìn)水徑向出水，出流口位于中心軸線上，且采用收縮形出流線管，并采用帶導(dǎo)葉且采用類球形的等截面環(huán)形壓水室，以消除泵在不同工況下的徑向力提高泵的安全可靠性。

表1. P 1 0 0 0核主泵主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1T h eMa i nD e s i g nP a r a me t e r so fA P 1 0 0 0N u c l e a r Ma i nP u mp

圖1.力樣機(jī)Fig.1 Hydraulic Prototype

2.2.驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在某大學(xué)流體機(jī)械工程技術(shù)研究中心閉式泵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置原理，如圖2所示。試驗(yàn)中水力樣機(jī)的轉(zhuǎn)速通過變頻調(diào)速器來控制，流量的測(cè)量采用電磁場流量計(jì)，揚(yáng)程的測(cè)量采用進(jìn)出口壓力變送器，通過壓差來確定，功率的測(cè)量采用轉(zhuǎn)矩測(cè)功法來實(shí)現(xiàn)。

圖2.驗(yàn)裝置原理Fig.2 The Test Principle of the Device

試驗(yàn)過程中，通過測(cè)量流量Q、進(jìn)出口壓差、軸功率P等參數(shù)，來確定Q-H、Q-P、Q-η三條特性曲線。用變頻器通過降速方式來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，測(cè)得不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線，試驗(yàn)分別測(cè)量了水力樣機(jī)在 50Hz（ 轉(zhuǎn)速 1495r/min）、40Hz（ 轉(zhuǎn)速 1195r/min） 、30Hz（ 轉(zhuǎn)速895r/min）時(shí)的特性曲線。

3.力性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1.速對(duì)水力性能的影響

通過變頻器改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，得到不同轉(zhuǎn)速下水力樣機(jī)的Q-H、Q-P、Q-η曲線，如圖3所示。

隨著流量的增大，水力樣機(jī)的揚(yáng)程降低Q-H曲線變化相對(duì)平緩，變化趨勢(shì)類似于半個(gè)拋物線，小流量時(shí)揚(yáng)程變化不明顯，轉(zhuǎn)速變化也不影響小流量時(shí)揚(yáng)程的變化趨勢(shì)；偏向于大流量時(shí)揚(yáng)程變化趨勢(shì)相對(duì)增大，且隨著轉(zhuǎn)速的降低這種變化趨勢(shì)進(jìn)一步增大，在轉(zhuǎn)速過度下降時(shí)有出現(xiàn)揚(yáng)程陡降的趨勢(shì)。同時(shí)如圖3（c）所示，50Hz設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流量1200m3/h時(shí)，揚(yáng)程大于設(shè)計(jì)揚(yáng)程18m，最高效率點(diǎn)流量為1215m3/h，揚(yáng)程為17.84m，滿足設(shè)計(jì)要求。

隨流量的增大軸功率先增后減，具有無過載特性，最大軸功率點(diǎn)出現(xiàn)在最高效率點(diǎn)之后一個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)比三幅圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的降低最大功率點(diǎn)向大流量偏移，50Hz時(shí)在1.10Qn（最大效率點(diǎn)流量），40Hz時(shí)在1.19Qn，30Hz時(shí)在1.22Qn。大流量和小流量時(shí)軸功率都較小，且Q-P曲線變化較為緩慢，整個(gè)工況軸功率變化較小。對(duì)于安全性要求較高的核主泵，軸功率的較小變化和無過載符合這一要求。

隨流量的增大，曲線整體變化趨勢(shì)類似于拋物線，小流量時(shí)效率較低，曲線變化近似一條斜線，大流量時(shí)效率較高，曲線較為平緩，且高效區(qū)較寬，但是隨轉(zhuǎn)速降低，相對(duì)損失增加效率降低，對(duì)比三幅圖可知，40Hz時(shí)轉(zhuǎn)速下降20%，最高效率點(diǎn)效率降低0.8個(gè)百分點(diǎn)，30Hz時(shí)轉(zhuǎn)速下降40%，最高效率點(diǎn)效率降低1.6個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)高效區(qū)變窄，高效區(qū)內(nèi)相似工況點(diǎn)效率降低。從設(shè)計(jì)工況點(diǎn)到全開過程中效率較高，這與核主泵要求的大流量工作區(qū)間相吻合，在保證安全性的情況下可以降低能耗。

該水力樣機(jī)采用的類球形等截面環(huán)形壓水室，不同于一般的蝸殼形壓水室，但是其外特性曲線仍具有蝸殼型混流泵的特征，有無過載特性，且高效區(qū)較寬，這表明壓水室截面形狀對(duì)核主泵性能變化趨勢(shì)影響有限，這與模擬結(jié)果相同，同時(shí)與文獻(xiàn)[6]在泵殼對(duì)核主泵性能的影響一文的研究結(jié)果一致。

3.2.同轉(zhuǎn)速下相似比例定律的修正

不同轉(zhuǎn)速水力樣機(jī)Q-H、Q-P、Q-η曲線總體變化趨勢(shì)相同，各相似工況點(diǎn)的試驗(yàn)與相似變換結(jié)果基本吻合，在局部范圍內(nèi)存在差異。根據(jù)比例定律進(jìn)行相似變換，得到40Hz、30Hz時(shí)的相似曲線，對(duì)試驗(yàn)所得曲線與相似變換曲線進(jìn)行誤差分析，通過Matlab中的Surface Fitting Tool工具箱，根據(jù)誤差變化趨勢(shì)自定義函數(shù)，對(duì)誤差進(jìn)行分析處理，對(duì)變量進(jìn)行線性回歸分析從而得到修正系數(shù)，并采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，應(yīng)用R2（回歸平方和與總離差平方和的比值）作為判定系數(shù)評(píng)價(jià)擬合優(yōu)度。

（1）Q-H試驗(yàn)曲線以及不同轉(zhuǎn)速下的相似變換曲線，如圖4（ a）所示。 按照 H2=H1×（ n2/n1）2，結(jié)合 50Hz試驗(yàn)揚(yáng)程進(jìn)行相似換算，得到40Hz、30Hz的揚(yáng)程相似變換曲線。40Hz時(shí)相似變換曲線與試驗(yàn)曲線基本重合，誤差小于4%。30Hz時(shí)相似變換曲線與試驗(yàn)曲線趨勢(shì)相同，但各工況點(diǎn)的實(shí)際揚(yáng)程高出相似換算揚(yáng)程（ 0.4～0.5）m，誤差在（ 8～13）%。 對(duì)揚(yáng)程曲線進(jìn)行修正，修正公式如下：

修正后的Q-H相似曲線與試驗(yàn)曲線在整個(gè)工況下能夠較好的重合，轉(zhuǎn)速變化較小時(shí)，誤差小，轉(zhuǎn)速下降40%時(shí)誤差不超過5%，在上述范圍內(nèi)滿足使用需求。

（2）Q-P試驗(yàn)曲線以及不同轉(zhuǎn)速下的相似變換曲線如圖4（ b）所示。 按照 P2=P1×（ n2/n1）3，結(jié)合 50Hz試驗(yàn)軸功率進(jìn)行相似換算，得到40Hz、30Hz的軸功率相似變換曲線。通過對(duì)比可知，轉(zhuǎn)速降低，30Hz、40Hz時(shí)試驗(yàn)曲線與相似變換曲線的變化趨勢(shì)基本一致，但換算軸功率偏低，流量小于Qn時(shí)基本重合，偏離實(shí)測(cè)功率不超過4%；流量大于Qn時(shí)，隨著流量增大軸功率的偏離量增大，隨轉(zhuǎn)速降低偏離程度加大，40Hz最大偏離實(shí)測(cè)工況9%，30Hz最大偏離實(shí)測(cè)工況17%。對(duì)軸功率曲線進(jìn)行修正，修正公式如下：

修正后的Q-P相似曲線能較好的反應(yīng)實(shí)際情況，與試驗(yàn)曲線相比，在大流量時(shí)的誤差大大減小，最大誤差小于4%，在上述范圍內(nèi)滿足使用需求。

（3）Q-η曲線以及不同轉(zhuǎn)速下的相似變換曲線，如圖4（a）所示。按照η=Pe/P=ρgQH/P，結(jié)合40Hz、30Hz的相似揚(yáng)程和相似軸功率，得到相應(yīng)的相似變換效率。不同轉(zhuǎn)速的相似工況下其效率相同，效率曲線與50Hz相近。隨著轉(zhuǎn)速降低，試驗(yàn)曲線與相似變換曲線誤差情況如下：40Hz時(shí)實(shí)際效率均低于換算效率，且隨著流量變化有一定規(guī)律，流量小于Qn時(shí)，誤差較大為（4～10）%，隨流量增加誤差減?。划?dāng)流量大于Qn，誤差較小為（1～5）%，隨流量增加誤差增大。30Hz流量小于Qn時(shí)，實(shí)際效率高于變換效率，誤差為（6～14）%，隨流量增加誤差減?。划?dāng)流量大于Qn時(shí)，相似變換效率偏高，隨流量增加誤差增大，相對(duì)于40Hz其增大趨勢(shì)更加明顯。

相似效率曲線的變化趨勢(shì)與相似揚(yáng)程、相似軸功率曲線的變化趨勢(shì)相關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化較大時(shí)，相似變化的差異增大，參考經(jīng)過修正后的相似變換揚(yáng)程和軸功率對(duì)效率曲線進(jìn)行修正，修正公式如下：

式中：η′—修正后效率；Kη—效率修正系數(shù)，x、y 同式（ 2）。

修正后的Q-η相似曲線在降速不超過40%時(shí)，可以代替實(shí)際曲線，降速40%時(shí)，局部最大誤差出現(xiàn)在0.5Qn附近，小于6%，在上述范圍內(nèi)滿足使用需求。

4.論

（1）對(duì)AP1000核主泵水力樣機(jī)的試驗(yàn)研究表明，該水力樣機(jī)的水力部件基本滿足設(shè)計(jì)要求，其性能曲線具有混流泵的特點(diǎn)，有無過載特性，高效區(qū)較寬，在大流量時(shí)具有較高的效率。同時(shí)印證了壓水室截面形狀對(duì)核主泵性能變化趨勢(shì)影響有限，決定其性能的主要因素在于葉輪。

（2）轉(zhuǎn)速降低，揚(yáng)程下降緩慢，Q-H曲線相對(duì)平坦，最大軸功率點(diǎn)向大流量偏移，泵效率下降，最高效率下降1.6個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)高效區(qū)變窄。改變轉(zhuǎn)速，水力樣機(jī)Q-η曲線總體變化趨勢(shì)相同，各相似工況點(diǎn)的試驗(yàn)與相似變換結(jié)果基本吻合，在局部范圍內(nèi)存在差異。

（3）轉(zhuǎn)速下降超過20%時(shí)，相似比例定律誤差較大，應(yīng)用時(shí)需要加以修正，對(duì)于此水力樣機(jī)建立了相應(yīng)的修正公式，同時(shí)引入揚(yáng)程、軸功率、效率修正系數(shù)（ KH、KP、Kη）進(jìn)行修正，所得的修正公式在降速（ 20～40）%，流量（ 0.45～1.3）Qn時(shí)滿足使用需求。

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The Experimental Study on the Influence of Rotating Speed on the Hydraulic Properties of AP1000 Nuclear Main Pump

PU Dao-lin（ Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute， Shanghai 200233， China）

In order to study the effect， rotational speed on the hydraulic properties of AP1000 nuclear main pump， to build a nuclear main pump hydraulic model prototype，an experimental study is conducted by changing rotation speed through frequency.It respectively compared the Q-H、Q-P、Q-η curve under three different rotational speed of the nuclear main pump in 50Hz（ 1495r/min）. 40Hz（ 1195r/min）. 30Hz（ 895r/min）.Transformation curves are transformed by using similarity scaling law.By comparing the test and similarity scaling transformation curves， the results are as follows:in 50Hz， the flow passage components of the hydraulic prototype meet the design requirements.Its performance curve has the characteristics of mixed flow pump，and non-overload characteristics.The high efficiency area is broad and the efficiency is high when the flow is big.The cross-section of shape pressurized-water chamber limited the effect on the change of the performance of nuclear main pump hydraulic prototype.The main factor is the impeller.When rotational speed changes，the external characteristic curves changes equally.However， when reducing the speed， the head drops slowly and Q-H curve is relatively flat.The maximum shaft power point shifts towards the big flow.The overall efficiency of the pump drops， meanwhile， the highest efficiency reduces and high efficiency area narrows.While，when rotation speed reduces more than 20%，similar scaling transformation formula fails.As for this，correction coefficient is introduced to modify transformation curves.

Hydraulic Performance； Nuclear Main Pump； External Characteristic； Rotational Speed； Similarity Transformation

TH16；TH313；TM623.獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.章編號(hào)：1001-3997（2015）11-0054-04

來稿日期：2015-04-04

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAF14B04）

蒲道林，（1969-），男，安徽金寨縣人，學(xué)士，高級(jí)工程師，主要研究方向：核電用泵故障診斷與維護(hù)