ACP100核主泵四象限全特性模型試驗(yàn)研究

黃 濱，武 鵬，劉祥松，馮曉東，楊 帥，吳大轉(zhuǎn)

（1.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江舟山 316021；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027；3.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150066）

0 前言

ACPl00反應(yīng)堆是中核集團(tuán)從2004年起研發(fā)的一種模塊化小型堆（SMR）。SMR是指單堆電功率小于30萬(wàn)kW，采用模塊化設(shè)計(jì)、模塊化制造、模塊式運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)快速裝配、采用革新技術(shù)的新一代反應(yīng)堆。ACPl00反應(yīng)堆模塊由反應(yīng)堆壓力容器、直流蒸汽發(fā)生器、屏蔽泵、反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件和一體化堆頂結(jié)構(gòu)等組成，如圖1所示。直流蒸汽發(fā)生器位反應(yīng)堆壓力容器內(nèi)，屏蔽泵通過(guò)短管嘴直接連接到反應(yīng)堆壓力容器，傳統(tǒng)的主回路管道得以消除［1］。

圖1 ACP100反應(yīng)堆模塊

ACPl00反應(yīng)堆采用3臺(tái)軸流式核主泵并聯(lián)運(yùn)行驅(qū)動(dòng)冷卻劑在反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，在泵組非同步啟動(dòng)、停止或事故工況下，其中某臺(tái)或多臺(tái)核主泵可能進(jìn)入泵工況外的其他象限，因此必須提供核主泵的四象限特性曲線用于系統(tǒng)安全評(píng)估。

泵的全特性工況涉及正轉(zhuǎn)（水泵工況轉(zhuǎn)向）、反轉(zhuǎn)、正揚(yáng)程（葉輪出口能量大于進(jìn)口能量）、負(fù)揚(yáng)程、正流量（液體從吸入口側(cè)流向排出口側(cè)）、負(fù)流量、正功率（原動(dòng)機(jī)把機(jī)械能傳給液體）、負(fù)功率等多種工作狀態(tài)的組合，四象限各工況參數(shù)特性見(jiàn)表 1［2-8］。

表1 水泵全特性區(qū)域分析表

1 研究對(duì)象

本文所研究的ACP100核主泵采用套筒式軸流泵結(jié)構(gòu)如圖2所示，水力部件主要技術(shù)參數(shù)為：葉輪直徑D=300 mm；額定轉(zhuǎn)速n=2 916 r/min；設(shè)計(jì)流量Q=2 500 m3/h；設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=27.9 m。

圖2 ACP100核主泵結(jié)構(gòu)

2 模型試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

ACP核主泵模型四象限試驗(yàn)在杭州富安水力機(jī)械研究所FTB1試驗(yàn)臺(tái)（如圖3所示）上完成，該試驗(yàn)臺(tái)于2013年5月17日通過(guò)中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)的鑒定，是一座綜合性的通用水力機(jī)械試驗(yàn)臺(tái)，其主要特點(diǎn)如下：

（1）試驗(yàn)臺(tái)的模型效率綜合測(cè)試誤差小于±0.2%，模型效率重復(fù)測(cè)試誤差小于±0.10%。模型的效率、汽蝕、壓力脈動(dòng)、等試驗(yàn)可在同一試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。

（2）模型試驗(yàn)臺(tái)具有各參數(shù)（揚(yáng)程、流量、力矩等）的原位標(biāo)定系統(tǒng)，各原級(jí)測(cè)試設(shè)備均具有國(guó)家或權(quán)威檢測(cè)部門(mén)有效期內(nèi)檢測(cè)的精度證書(shū)，次級(jí)儀器設(shè)備具有標(biāo)定文件，能夠滿(mǎn)足驗(yàn)收試驗(yàn)及其各種試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)量精度和運(yùn)行穩(wěn)定性的要求。

（3）試驗(yàn)中模型試驗(yàn)臺(tái)水循環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，試驗(yàn)中各測(cè)量物理量的波動(dòng)幅度及測(cè)量不確定度均能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)裝置示意

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

考慮到ACP100核主泵真機(jī)葉輪直徑較小，但轉(zhuǎn)速較高，因此在進(jìn)行模型試驗(yàn)時(shí)，采用1：1模型進(jìn)行降速試驗(yàn)。為保證加工精度，水力部件中核心的葉輪和出口導(dǎo)葉整體模型采用五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)得到，如圖4所示。

圖4 ACP100核主泵葉輪和出口導(dǎo)葉

由于ACP100核主泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜、同側(cè)進(jìn)出、且進(jìn)出口管為半圓管，為了更加真實(shí)地模擬泵內(nèi)流態(tài)，在保證進(jìn)出口考核基準(zhǔn)面范圍內(nèi)流道一致的基礎(chǔ)上，將泵體置于水箱內(nèi)，水箱兩側(cè)開(kāi)孔與試驗(yàn)系統(tǒng)管路相連，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

2.3 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)管路系統(tǒng)中由于高壓側(cè)增壓泵的存在，降速試驗(yàn)時(shí)選取額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，試驗(yàn)泵大流量工況下的揚(yáng)程不足以克服增壓泵反轉(zhuǎn)和管路的阻力損失。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 泵工況性能特性

泵工況性能測(cè)試時(shí)額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60193-1999的要求換算到真機(jī)工況額定轉(zhuǎn)速2 898 r/min的流量QP、揚(yáng)程HP和功率PmP，換算公式如下：

式中 QP，QM——真機(jī)、模型機(jī)的流量；

DP，DM——真機(jī)、模型機(jī)葉輪的外徑；

nP，nM——真機(jī)、模型機(jī)的轉(zhuǎn)速；

EP，EM——真機(jī)、模型機(jī)的比能，E=gH；

PmP，PmM—— 真機(jī)、模型機(jī)對(duì)應(yīng)工況的功率；

ηhP，ηhM—— 真機(jī)和模型機(jī)對(duì)應(yīng)工況的水力效率。

標(biāo)準(zhǔn)IEC60193-1999的規(guī)定，通過(guò)模型試驗(yàn)測(cè)得的水力效率應(yīng)在考慮雷諾數(shù)的比尺效應(yīng)后轉(zhuǎn)換至真機(jī)的水力效率。換算公式如下：

式中 （Δηh）M→P—— 由模型雷諾數(shù)換算到真機(jī)雷諾數(shù)的效率修正量；

δref——效率修正系數(shù)；

Reref——參考雷諾數(shù)，Reref=7×106；

ReM——模型雷諾數(shù)；

ReP——真機(jī)雷諾數(shù)；

ReoptM—— 最優(yōu)水力效率工況點(diǎn)的模型雷諾數(shù)；

ηhoptM——最優(yōu)水力效率；

Vref——損失系數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60193-1999的要求，Vref=0.6；計(jì)算出修正值后，即可得出真機(jī)的水力效率：

根據(jù)上述理論公式對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相似換算，得到ACP100核主泵額定轉(zhuǎn)速泵工況性能曲線如圖6所示。額定轉(zhuǎn)速2 898 r/min時(shí)，額定工況流量為2 544.73 m3/h，揚(yáng)程為28.7 m，效率為82.23%，水力功率為241.30 kW。

圖6 ACP100核主泵額定轉(zhuǎn)速泵工況性能曲線

3.2 四象限性能特性

按照2.3節(jié)的試驗(yàn)步驟，采取水箱正、反安裝的方式實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)水泵、正轉(zhuǎn)正流制動(dòng)、反轉(zhuǎn)正流制動(dòng)、正流水輪機(jī)、正轉(zhuǎn)逆流制動(dòng)、反轉(zhuǎn)水泵、反轉(zhuǎn)逆流制動(dòng)、逆流水輪機(jī)、逆流飛逸、逆流轉(zhuǎn)速為零、正流飛逸、正流轉(zhuǎn)速為零等12種工況的測(cè)試，并將所測(cè)轉(zhuǎn)速、流量和揚(yáng)程根據(jù)式（6）和（7）換算得到轉(zhuǎn)速因數(shù)和流量因數(shù)。

轉(zhuǎn)速因數(shù)：

流量因數(shù)：

可以看出，在負(fù)流量區(qū)域，正、反轉(zhuǎn)工況的揚(yáng)程曲線接近平行；在正流量區(qū)域，反轉(zhuǎn)工況的揚(yáng)程曲線在小流量區(qū)域下降趨勢(shì)明顯快于正轉(zhuǎn)工況，但正轉(zhuǎn)泵工況的駝峰區(qū)并不顯著。

根據(jù)上述公式進(jìn)行無(wú)量綱換算，得到ACP100核主泵四象限nED— QED曲線,如圖7所示，其中橫坐標(biāo)上方為正流工況、下方為逆流工況，縱坐標(biāo)右側(cè)為正轉(zhuǎn)工況、左側(cè)為反轉(zhuǎn)工況。同時(shí)，為了更清楚地對(duì)比泵在正、反轉(zhuǎn)的性能特性，以額定點(diǎn)流量和揚(yáng)程為基準(zhǔn)，對(duì)四象限曲線上所有工況點(diǎn)的流量和揚(yáng)程進(jìn)行無(wú)量綱處理，得到ACP100核主泵四象限無(wú)量綱揚(yáng)程曲線如圖8所示。

圖7 ACP100核主泵四象限nED — QED曲線

圖8 ACP100核主泵四象限無(wú)量綱揚(yáng)程曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于相似定律，采用降轉(zhuǎn)速方法對(duì)1：1模型的ACP100核主泵進(jìn)行了四象限全特性模型試驗(yàn)。所測(cè)得的泵工況性能曲線為理論設(shè)計(jì)和CFD性能預(yù)測(cè)提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)，對(duì)后期進(jìn)一步性能優(yōu)化具有重要指導(dǎo)作用；而四象限全特性曲線將為核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行整體回路系統(tǒng)瞬態(tài)熱工水力特性計(jì)算提供有效的泵性能參數(shù)。