霍澤宇

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

核主泵又叫做核電站反應(yīng)堆冷卻劑主泵，是核電站系統(tǒng)的重要組成部分之一，主要功能是為核反應(yīng)堆冷卻劑提供循環(huán)的動力，核主泵的運(yùn)行既要滿足水力的功能性要求，保證運(yùn)行的穩(wěn)定，又要考慮到壓力脈動的影響。核主泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，受到葉頂間隙和輪轂旋轉(zhuǎn)等邊界因素的影響。本文通過試驗，對軸流式核主泵進(jìn)行研究，主泵由泵殼、葉輪罩、導(dǎo)葉以及葉輪等部件組成，結(jié)構(gòu)見圖1。首先采用穩(wěn)態(tài)方法計算栗整機(jī)流場，將數(shù)值與試驗值對比分析，確定CFD 數(shù)值計算方式的準(zhǔn)確，然后又在計算中設(shè)置15 個壓力脈動監(jiān)測點，用來研究主泵內(nèi)部的壓力脈動規(guī)律等情況。

圖1 主泵水力部件圖

1 泵參數(shù)及模型

1000MW 核電機(jī)組軸流泵葉輪設(shè)計參數(shù)為: 設(shè)計流量Q=23790 m2/h、揚(yáng)程H=97.2 m、運(yùn)行轉(zhuǎn)速n=1484 r/min、比轉(zhuǎn)速n,=450。葉輪有5 個葉片、14 個導(dǎo)葉片。軸頻率f=24.77 Hz、葉輪通過頻率fy=123.83、導(dǎo)葉通過頻率fd=346.7。根據(jù)參數(shù)建立計算模型，由葉輪罩、葉輪、導(dǎo)葉和泵殼組成。

2 穩(wěn)態(tài)核主泵水力計算

2.1 網(wǎng)格及邊界條件

主泵水力網(wǎng)格的數(shù)量以及分布情況對計算結(jié)果都會產(chǎn)生一定的影響，直接關(guān)系到計算過程中主泵運(yùn)行的穩(wěn)定以及數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確。模型計算中采用的是六面體網(wǎng)格，在旋轉(zhuǎn)部件、流動比較劇烈的位置以及靜態(tài)壁面等地方都用加密的網(wǎng)格控制。網(wǎng)格如圖2。流體模型采用的是RNG k-ε 模型，進(jìn)口區(qū)域指定了流量，出口區(qū)域設(shè)定壓力邊界，壁面無滑移邊界。

圖2 主泵水力部件網(wǎng)格

2.2 結(jié)果分析

在核主泵中，冷卻用水從泵殼的進(jìn)口到出口這一流動過程中是具有一定的能量變化的，圖3 顯示的是主泵剖面壓力分布情況。從圖3 可以看出，在泵進(jìn)口到葉輪前階段之間冷卻水壓力損失，在葉輪的入口處壓力最小，然后葉輪旋轉(zhuǎn)對冷卻水開始作用，冷卻水的壓力隨之加大，而后冷卻水經(jīng)過導(dǎo)葉，導(dǎo)葉將冷卻水整流并將水速轉(zhuǎn)化為壓力能，此時冷卻水的壓力處于最強(qiáng)，最后冷卻水流出泵口，壓力逐漸降低。

圖3 主泵剖面壓力分布云圖

3 非穩(wěn)態(tài)壓力脈動分析

非穩(wěn)態(tài)模擬計算中，主泵的流道內(nèi)有一定的脈動情況發(fā)生，于是在主要位置設(shè)置了脈動監(jiān)測點。為了精準(zhǔn)分析主泵內(nèi)葉輪、導(dǎo)葉以及流體的變化情況，在主泵的流道內(nèi)設(shè)置了15 個監(jiān)測點，主泵進(jìn)口區(qū)域有3 個、葉輪處4 個、導(dǎo)葉處4 個以及主泵泵殼出口區(qū)域共4 個。

圖4 泵進(jìn)口流線圖

圖5 流量-揚(yáng)程外特性曲線

從各監(jiān)測點壓力隨時間變化的規(guī)律圖像，可以看出，監(jiān)測點的壓力脈動呈現(xiàn)出了明顯的變化規(guī)律。進(jìn)口3 監(jiān)測點的壓力脈動變化均勻，周期性較好，因為這個區(qū)域只是受到葉輪的影響，所以壓力脈動呈現(xiàn)的是一種規(guī)則的正弦波。葉輪4 監(jiān)測點的壓力脈動情況就相對復(fù)雜一些，受到葉輪和導(dǎo)葉的共同作用影響，波峰波谷會有二次產(chǎn)生的情況，但總體還是有較為明顯的周期性。導(dǎo)葉4 和泵殼出口4 監(jiān)測點的波動幅度比葉輪4 監(jiān)測點的變化小一些，但是同一時間內(nèi)變化次數(shù)多，說明這個區(qū)域內(nèi)的脈動頻率是比較高的。主泵泵殼冷卻水的進(jìn)水區(qū)域是屬于低壓狀態(tài)，為了監(jiān)測壓力脈動情況，在軸向設(shè)置3 個監(jiān)測點。葉輪進(jìn)口區(qū)域內(nèi)在葉輪抽吸的作用下，葉輪壓力面和吸力面產(chǎn)生了一定的壓力梯度，而且受到液流對葉輪進(jìn)口的沖擊影響，在旋轉(zhuǎn)葉輪時會引起進(jìn)口區(qū)域內(nèi)的壓力脈動。

4 軸向力和功率脈動分析

軸流泵葉輪旋轉(zhuǎn)過程中對冷卻水做功，驅(qū)動冷卻水在核反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)。與此同時，軸流泵葉輪葉片受到冷卻水的反作用力，葉片受力脈動是葉片所受的主要疲勞載荷，脈動幅值大小和頻率成分直接影響葉輪的使用壽命。

5 結(jié)論

綜上所述，本文通過對1000MW 核主泵進(jìn)行全流道水力性能計算，與試驗值比較分析，而且對核主泵非穩(wěn)態(tài)三維流動過程進(jìn)行分析，研究探討了相關(guān)的壓力脈動特性。對核主泵不同流量時水力性能的仿真計算結(jié)果與試驗值之間的誤差小于5%，因此數(shù)值具有較大的科學(xué)性和可靠性。核主泵的壓力脈動情況分析結(jié)果顯示，核主泵在泵殼進(jìn)口處的壓力脈動呈規(guī)則的正弦波狀態(tài)，但是脈動頻率的種類多，而且幅值也比較大，泵殼出口處的壓力脈動弱。本次試驗采用的是科學(xué)的計算方式，計算結(jié)果精準(zhǔn)性高，有較大的參考意義。