軸流式核主泵流場數(shù)值分析與試驗研究

摘 要：以某核電站軸流式核主泵為對象，基于Navier-Stokes方程和標準k-ε湍流模型對其內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，并與模型試驗結(jié)果進行比較，驗證了數(shù)值計算的有效性和準確性。進而分析了不同工況下導(dǎo)葉和泵殼段各自的損失，揭示了主泵內(nèi)流場的流動特點，為核電站主泵的性能分析和優(yōu)化設(shè)計提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆冷卻劑泵；數(shù)值模擬；模型試驗；優(yōu)化設(shè)計

反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱主泵），是核島一回路系統(tǒng)中唯一旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，在核電設(shè)備的安全等級中，屬于核Ⅰ級安全泵，它的可靠運行，直接影響反應(yīng)堆的安全正常工作。主泵主要用于實現(xiàn)冷卻劑在一回路系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)，以便將反應(yīng)堆的熱量帶至蒸汽發(fā)生器加熱二回路熱工質(zhì)。[1]主泵的水力部件主要由泵殼、葉輪和導(dǎo)葉組成。泵殼結(jié)構(gòu)設(shè)計成環(huán)形壓水室的形狀，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，缺點是存在沖擊和漩渦，并且液流速度分布不均勻。[2]

本文基于雷諾平均Navier-Stokes方程和標準k-ε模型，采用SIMPLEC算法對某軸流式核主泵葉輪、導(dǎo)葉及泵殼內(nèi)流場進行數(shù)值計算，并將結(jié)果和模型試驗進行比較，驗證數(shù)值計算的準確性，提示主泵內(nèi)部流場的流動規(guī)律。

1 模型介紹

本文主泵葉輪模型為軸流式，葉片5片，導(dǎo)葉11片。設(shè)計轉(zhuǎn)速n=1490r/min，設(shè)計流量Q=16800m3/h。葉輪外徑為763mm，葉頂間隙約為1mm。根據(jù)參數(shù)建立實體模型如圖1所示。模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，近壁面加密網(wǎng)格以控制y+。網(wǎng)格單元體總數(shù)約為130萬。計算區(qū)域進口采用質(zhì)量流量，無周向速度進口，出口壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。主泵所有固體壁面均設(shè)為無滑移，在近壁區(qū)設(shè)置壁面函數(shù)，葉輪段外壁（即輪緣）設(shè)置為不旋轉(zhuǎn)的靜墻。在設(shè)計轉(zhuǎn)速下進行不同工況的數(shù)值計算，得到主泵的性能曲線。

2 試驗裝置

圖2給出了試驗系統(tǒng)圖，包括進水箱、泵、出水箱、輔助雙吸泵、電動蝶閥（作為管路調(diào)節(jié)閥）、充水泵、排水泵和水庫等。

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比

對主泵不同工況的揚程和效率進行了預(yù)測，并與試驗結(jié)果進行對比，二者較為接近，如圖3和圖4所示?？梢姅?shù)值模擬方法比較準確地預(yù)測了主泵的外特性。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1主泵水力部件各部分損失分析

將各工況（0.8Q、0.9Q、1.0Q、1.1Q和1.2Q）導(dǎo)葉、泵殼損失占對應(yīng)工況揚程比例的分析繪成曲線如圖5。

由圖可知，導(dǎo)葉段最小損失段涵蓋了設(shè)計工況。當流量變大或變?。雌x設(shè)計工況），導(dǎo)葉段損失均變大，小流量工況損失增大較為明顯。泵殼段損失基本高于導(dǎo)葉段損失，且隨著流量的增加而增大，流量較大時，增大較為明顯，可見環(huán)形壓水室水力損失較大。

3.2.2 速度、壓力分析

如圖6所示，葉片上的壓力由入口到出口不斷升高，且上升幅度較大，說明水力性能和工作狀態(tài)較好。葉片背面入口處存在低壓區(qū)，但因主泵介質(zhì)工作壓力較高（主泵進口約為15MPa），故不容易發(fā)現(xiàn)空化。

圖7為導(dǎo)葉出口開始到泵殼出口的流線圖，可見流體流動情況良好，從導(dǎo)葉出來的流體幾乎無圓周速度，在泵殼內(nèi)混合后流向泵殼的出口。

4 結(jié)論

本文將數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合，對某核電站主泵的外特性性能與內(nèi)特性流場特征進行了較全面且直觀的分析，揭示了軸流式核主泵的葉輪、導(dǎo)葉以及泵殼內(nèi)的流動特點，為核電站主泵的性能分析和優(yōu)化設(shè)計提供了有益的參考。

參考文獻

[1]臧希年.核電廠系統(tǒng)及設(shè)備[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]張克危.流體機械原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：李亞新（1985-），男，助理工程師，河南人，2007年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)熱能與動力工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，一直從事動力機械的設(shè)計、流場分析及試驗方面的研究。