俄羅斯鉛基軸流泵過(guò)流部件的研究概況

婁芮凡 李娜 張超 何子慶

摘 要：鉛基反應(yīng)堆裝置為池式結(jié)構(gòu)，其冷卻劑的特點(diǎn)為密度大、溫度高且對(duì)結(jié)構(gòu)材料磨蝕嚴(yán)重等、所以鉛基反應(yīng)堆裝置冷卻劑在鉛池內(nèi)的流速慢且流量大，因此需要一種低揚(yáng)程、大流量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、安裝靈活的軸流泵。以確保裝置內(nèi)冷卻劑的流動(dòng)。本文就是對(duì)俄羅斯在研究設(shè)計(jì)鉛基堆主軸流泵過(guò)流部件的大致方向和已取得的一些成果進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

關(guān)鍵詞：鉛基反應(yīng)堆;軸流泵;過(guò)流部件

1 鉛基介質(zhì)概述

核反應(yīng)堆回路的性能和可靠性很大一部分都取決于其主泵的性能。而鉛基金屬泵則是要能在有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的鉛基液態(tài)金屬中穩(wěn)定且高效地運(yùn)行。鉛基冷卻劑在工作溫度下的飽和蒸汽壓為10-18atm-10-8atm，其本身的氧化能力和腐蝕特性與水和鈉有很大不同，鉛基冷卻劑的工作溫度與沸點(diǎn)相差近1000℃，密度大（流動(dòng)慣性力大），表面張力比水大，在350℃時(shí)約為400N/m，對(duì)結(jié)構(gòu)鋼有不可浸潤(rùn)性，在氬氣環(huán)境下浸潤(rùn)角約為110°-120°，在一定條件下會(huì)生成氧化物，在400℃時(shí)運(yùn)動(dòng)粘度比水大，約為20.99×10-8m2/s，導(dǎo)熱系數(shù)在400℃是約為16.58Wt/m K，高于水卻低于鈉。

以上的一切特征都極大地改變了泵出過(guò)程的特征。但可以肯定的是，基本的物理定律適用于所有的非牛頓液體，不管是鉛基液態(tài)金屬還是水。只是在計(jì)算的過(guò)程中使用水泵設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)或是半經(jīng)驗(yàn)方法來(lái)計(jì)算鉛基泵就是不適用的。

以上結(jié)論得到了俄羅斯船用鉛鉍核動(dòng)力裝置運(yùn)行和鉛冷卻劑泵試驗(yàn)的數(shù)據(jù)支持。

2 鉛基軸流泵特點(diǎn)介紹

俄羅斯計(jì)劃2030年前設(shè)計(jì)建造一座鉛冷快堆，即SREST-OD-300。該反應(yīng)堆使用的是軸流泵，該泵的作用主要是在運(yùn)行時(shí)將流體進(jìn)行擴(kuò)散，保證鉛基池中的冷卻劑可以低速循環(huán)。但是擴(kuò)散冷卻劑的過(guò)程中軸流泵體不穩(wěn)定，而且由于反應(yīng)堆是池式結(jié)構(gòu)，泵由法蘭固定于鉛基池頂蓋所以泵體比較長(zhǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中更容易失穩(wěn)，為了讓其穩(wěn)定運(yùn)行需要對(duì)過(guò)流部進(jìn)行改造，但是改造后的結(jié)構(gòu)會(huì)讓介質(zhì)在葉片表面附近的速度，方向和受力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致過(guò)流區(qū)特性下降和葉片受到磨損和侵蝕。

在俄羅斯NGTW大學(xué)FT-4裝置上運(yùn)行測(cè)試的SREST-OD-300小型模擬主泵在試驗(yàn)中應(yīng)用傳統(tǒng)水泵方式設(shè)計(jì)的葉輪進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行（200-400）h的時(shí)候葉輪就會(huì)出現(xiàn)或大或小的磨蝕。有時(shí)顯示實(shí)際壓頭與流量的不匹配，這表明其中發(fā)生了很多與水介質(zhì)不一樣的現(xiàn)象。

3 軸流泵葉片的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

軸流泵葉片截面為翼型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，

如圖骨架線與前后交點(diǎn)的連線長(zhǎng)度為葉片的翼展長(zhǎng)l，繞度為f、厚度為s，葉片圓周速度u與骨架線的切線所夾的角為β1和β2，速度ωcp與葉片弦l之間的夾角為沖角δ、安放角為α。流體相對(duì)速度為ωcp，如圖2速度三角形所示，其大小和方向?yàn)椋?/p>

4 對(duì)鉛基泵過(guò)流部的研究目標(biāo)和方向

由于上述的原因，需要對(duì)鉛基泵的過(guò)流部件進(jìn)行多方面的實(shí)驗(yàn)研究。該工作的主要方向是：

a. 研究葉片系統(tǒng)的特性與葉片安裝角度的關(guān)系;

b. 葉片幾何形態(tài)（彎曲度）與葉輪系統(tǒng)特性的關(guān)系;

c. 對(duì)鉛基泵““氣蝕””現(xiàn)象進(jìn)行定義和研究。

以此為依據(jù)對(duì)鉛基軸流泵的葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，以保證其在鉛基堆中穩(wěn)定高效的運(yùn)行。

5 研究結(jié)果闡述

5.1 葉輪系統(tǒng)特性研究

試驗(yàn)葉輪分為6個(gè)葉片和4個(gè)葉片兩大類(lèi)，葉輪安裝的葉片安放角分為9°、15°、22°、28°和35°，轉(zhuǎn)速分為600、700、800、900、1000、1100r/min，介質(zhì)溫度為400-450℃，氧活性大于10-5以確保在過(guò)流部件中生成氧化層。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)4個(gè)葉片的葉輪當(dāng)安放角為22°時(shí)輸運(yùn)鉛基冷卻劑的能力最優(yōu)，如當(dāng)轉(zhuǎn)速為1100r/min時(shí)壓頭為0.8m CT.Pb，流量為172m?/h。其余的安放角條件下最大壓頭為0.58M CT.Pb，最大流量為146 m?/h。

當(dāng)選用6個(gè)葉片的葉輪時(shí)，安放角為28°時(shí)輸運(yùn)鉛基冷卻劑的能力最優(yōu)，即當(dāng)轉(zhuǎn)速為1100r/min時(shí)壓頭為0.73m CT.Pb，流量為177m?/h。

試驗(yàn)結(jié)果如圖3還表明泵的壓頭與葉輪葉片數(shù)無(wú)關(guān)于葉片安放角有關(guān)。即4個(gè)葉片的葉輪的最佳安放角比6個(gè)葉片的葉輪的最佳安放角小5°-10°。

不管是六個(gè)葉片的葉輪還是四個(gè)葉片的葉輪，在其它條件都基本相同時(shí)，當(dāng)其轉(zhuǎn)速由600r/min提高到1000r/min時(shí)，流量和壓頭都會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增加而平穩(wěn)增加，但當(dāng)轉(zhuǎn)速由1000r/min提高到1100r/min時(shí)該泵的流量和壓頭會(huì)突然大幅度上升。

另外再設(shè)計(jì)葉片時(shí)除了安放角還需要考慮葉片的彎曲度，即葉片自身的幾何形狀，如圖4所示

經(jīng)試驗(yàn)研究后得出的結(jié)論是對(duì)于所有轉(zhuǎn)速下對(duì)葉片前端1/3處進(jìn)行彎曲都會(huì)提升泵的性能，只是對(duì)不同的葉片安放角所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)彎曲度是不同的。

5.2泵導(dǎo)流部件的研究

導(dǎo)流件的安裝是為了矯正和改良軸流泵葉輪后的介質(zhì)流場(chǎng)，提高軸流泵工作時(shí)的整體穩(wěn)定性。如圖5所示。

在試驗(yàn)過(guò)程中改變轉(zhuǎn)速，改變導(dǎo)流件的入口角度，測(cè)試泵的流量、壓頭和效率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于該實(shí)驗(yàn)泵在600r/min-1000r/min的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)壓頭與導(dǎo)流件的入口角度無(wú)關(guān)。另外，在700r/min-1100r/min的轉(zhuǎn)速時(shí)該泵的效率與導(dǎo)流件的入口角度基本無(wú)關(guān)，這些都與水泵的設(shè)計(jì)理論完全不同，需要進(jìn)一步的研究以開(kāi)發(fā)鉛基軸流泵的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

5.3 泵“氣蝕”的特性研究

另外，在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在440℃-550℃的溫度下，當(dāng)該軸流泵的轉(zhuǎn)速提高到1400r/min時(shí)，即當(dāng)流速在超過(guò)14m/s時(shí)，該實(shí)驗(yàn)泵開(kāi)始出現(xiàn)”氣蝕”現(xiàn)象。

經(jīng)研究分析得出高溫鉛基金屬冷卻劑的物理性質(zhì)與傳統(tǒng)的水大不相同，鉛基冷卻劑分子與氧化鋼表面的分子作用力遠(yuǎn)小于鉛基冷卻劑分子間的相互作用力，表現(xiàn)為鉛基冷卻劑不會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行浸潤(rùn)，泵葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在表面張力、重力、壓力等作用下，鉛基冷卻劑在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)局部收縮形成渦旋并從結(jié)構(gòu)鋼表面脫落形成連續(xù)的壓力脈沖，同時(shí)在運(yùn)輸過(guò)程中由于局部壓力的變化沖擊過(guò)流部件，從而使泵的結(jié)構(gòu)遭到侵蝕和破壞。如圖6所示。

6 總結(jié)

文章對(duì)俄羅斯鉛基軸流泵的葉輪，導(dǎo)流件和“汽蝕”現(xiàn)象的研究方向和進(jìn)展進(jìn)行了梳理，發(fā)現(xiàn)由于鉛基介質(zhì)與水和鈉在物理和化學(xué)性質(zhì)上存在這本質(zhì)的不同，所以在對(duì)于軸流泵的過(guò)流部在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候會(huì)有與水，鈉泵完全不同的方法。而以上所介紹的研究實(shí)驗(yàn)方法則是為了能最終確定一套鉛基軸流泵的設(shè)計(jì)方法。

作者簡(jiǎn)介：

婁芮凡（1992.08—），男，四川成都人，碩士研究生，助理工程師，熱工水力研究方向。

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610015）