1000MW 核主泵水力計算與壓力脈動分析

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堆冷卻劑提供循環(huán)的動力，核主泵的運行既要滿足水力的功能性要求，保證運行的穩(wěn)定，又要考慮到壓力脈動的影響。核主泵內(nèi)部結構較為復雜，受到葉頂間隙和輪轂旋轉等邊界因素的影響。本文通過試驗，對軸流式核主泵進行研究，主泵由泵殼、葉輪罩、導葉以及葉輪等部件組成，結構見圖1。首先采用穩(wěn)態(tài)方法計算栗整機流場，將數(shù)值與試驗值對比分析，確定CFD 數(shù)值計算方式的準確，然后又在計算中設置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 核電機組軸流泵葉輪設計參數(shù)為: 設計流量Q=23790 m2/h、揚程H=97.2 m、運行轉速n=1484 r/min、比轉速n,=450。葉輪有5 個葉片、14 個導葉片。軸頻率f=24.77 Hz、葉輪通過頻率fy=123.83、導葉通過頻率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果都會產(chǎn)生一定的影響，直接關系到計算過程中主泵運行的穩(wěn)定以及數(shù)值計算結果的準確。模型計算中采用的是六面體網(wǎng)格，在旋轉部件、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，進口區(qū)域指定了流量，出口區(qū)域設定壓力邊界，壁面無滑移邊界。

圖2 主泵水力部件網(wǎng)格

2.2 結果分析

在核主泵中，冷卻用水從泵殼的進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)過導葉，導葉將冷卻水整流并將水速轉化為壓力能，此時冷卻水的壓力處于最強，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，于是在主要位置設置了脈動監(jiān)測點。為了精準分析主泵內(nèi)葉輪、導葉以及流體的變化情況，在主泵的流道內(nèi)設置了15 個監(jiān)測點，主泵進口區(qū)域有3 個、葉輪處4 個、導葉處4 個以及主泵泵殼出口區(qū)域共4 個。

圖4 泵進口流線圖

圖5 流量-揚程外特性曲線

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雜一些，受到葉輪和導葉的共同作用影響，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，在軸向設置3 個監(jiān)測點。葉輪進口區(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口的沖擊影響，在旋轉葉輪時會引起進口區(qū)域內(nèi)的壓力脈動。

4 軸向力和功率脈動分析

軸流泵葉輪旋轉過程中對冷卻水做功，驅動冷卻水在核反應堆內(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 結論

綜上所述，本文通過對1000MW 核主泵進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)三維流動過程進行分析，研究探討了相關的壓力脈動特性。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)值具有較大的科學性和可靠性。核主泵的壓力脈動情況分析結果顯示，核主泵在泵殼進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的計算方式，計算結果精準性高，有較大的參考意義。