泵熱沖擊特性測試平臺(tái)研制及數(shù)值分析

崔華年，余曉明，王義姚

（上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093）

泵是輸送液體或使液體增壓的通用機(jī)械設(shè)備。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送包括水、油和液態(tài)金屬等液體，也可輸送氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。同時(shí)，泵的工作環(huán)境也多樣復(fù)雜，所輸送的工質(zhì)溫度既有常溫，也有低溫或高溫甚至瞬態(tài)大溫差聚變等。特別是在各類特殊工況條件下，泵運(yùn)行的安全性和可靠性顯得尤為重要。

常規(guī)的泵測試平臺(tái)只能測試泵的常規(guī)性能，一般不考慮泵工作環(huán)境的復(fù)雜性。本文主要有針對(duì)性地研究泵所輸送的流體介質(zhì)溫度瞬態(tài)聚變對(duì)泵性能的影響，并完成關(guān)鍵部位的數(shù)值模擬分析。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于目前核安全級(jí)泵工況復(fù)雜，一般的泵測試系統(tǒng)無法滿足測試要求。為了提高泵的可靠性與安全性，需要對(duì)其做高、低溫瞬態(tài)聚變工況下的熱沖擊試驗(yàn)。被測試泵的最大試驗(yàn)流量為1 050 m·h，最高設(shè)計(jì)溫度為210 ℃，最大測試功率為500 kW。

測試平臺(tái)管路如圖1所示。該系統(tǒng)包括制冷系統(tǒng)、制熱系統(tǒng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、補(bǔ)水系統(tǒng)等。其中，制冷系統(tǒng)是為了制得被測泵在低溫下運(yùn)行所需的7 ℃冷水；制熱系統(tǒng)是用來制得熱沖擊所需高溫?zé)崴环€(wěn)壓系統(tǒng)是用來確保系統(tǒng)制得的熱水在高溫下仍為液態(tài)；控制系統(tǒng)是為了快速、精確地控制閥門等設(shè)備，確保滿足試驗(yàn)條件；補(bǔ)水系統(tǒng)是用來補(bǔ)充試驗(yàn)所需的水量。整個(gè)試驗(yàn)回路要完成泵性能測試、熱沖擊測試。試驗(yàn)臺(tái)的全部過流部件均為1Crl8Ni9Ti不銹鋼。熱水罐選用碳鋼殼體不銹鋼襯里，閥門、流量計(jì)、熱水泵、冷水泵及與回路相連的管路材料選用不銹鋼。試驗(yàn)回路嚴(yán)格按照鋼制壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)及驗(yàn)收。

圖1 測試平臺(tái)管路Fig.1 Pipeline circuit of the test bench

1.1 系統(tǒng)注水

手動(dòng)開啟系統(tǒng)中所有手動(dòng)操作閥門，并開啟系統(tǒng)中氣動(dòng)閥門；手動(dòng)啟動(dòng)補(bǔ)水泵，當(dāng)膨脹槽上的液位傳感器檢測到實(shí)際液位達(dá)到設(shè)定水位時(shí)，停止補(bǔ)水泵，并關(guān)閉補(bǔ)水泵處的閥門和系統(tǒng)中的排氣閥。

1.2 測試泵試運(yùn)行

通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥VT04的A向全閉，閥門VT02的B向全開、A向全閉，閥門VT05全閉，閥門VT06、VT03、VT01、V01、V02全開。啟動(dòng)被測試泵，調(diào)節(jié)閥門VT01使泵的流量達(dá)到1 050 m·h，并記錄VT01閥門開度。被測試泵試運(yùn)行一段時(shí)間后，手動(dòng)停止被測試泵測試運(yùn)行過程。

開啟氮?dú)馄颗艢忾y門，使得測試系統(tǒng)壓力達(dá)到1.2 MPa。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使三通閥VT02的B向全關(guān)，閥門VT03關(guān)閉。手動(dòng)開啟閥門V03、V04、V05。啟動(dòng)熱水循環(huán)泵，開啟電加熱器。

1.3 冷水系統(tǒng)啟動(dòng)

開啟閥門V08、V10、V12，關(guān)閉閥門V11，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)關(guān)閉閥門VT05，閥門VT04的A向全閉、B向全開。開啟冷凍水循環(huán)泵，啟動(dòng)冷凍機(jī)。當(dāng)溫度傳感器測得的水溫為7 ℃時(shí)，關(guān)閉閥門V10、V12，開啟閥門V11，為熱沖擊作準(zhǔn)備。

1.4 準(zhǔn)備熱沖擊

調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使閥門VT05全開，閥門VT06關(guān)閉，閥門VT02的A向全開，閥門VT01開度和被測試泵試運(yùn)行時(shí)的開度保持相同，閥門VT04的B向全開，A向開度由溫控器TET01控制，確保循環(huán)管路的水溫為7 ℃。啟動(dòng)被測試泵，當(dāng)溫度傳感器測得循環(huán)水溫為7 ℃時(shí)，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使閥門VT04的A向全閉，B向全開，閥門VT05全閉，閥門VT06開啟，被測試泵在7 ℃水環(huán)境下運(yùn)行，為熱沖擊作準(zhǔn)備。7 ℃冷水循環(huán)如圖2粗實(shí)線所示。

圖2 熱沖擊準(zhǔn)備前7 ℃冷水循環(huán)回路Fig.2 Circulation loop of 7 ℃ cold water prior to the preparation of thermal shock

1.5 開始熱沖擊

待被測試泵在熱沖擊準(zhǔn)備過程平穩(wěn)運(yùn)行后，開啟閥門V02，通過控制系統(tǒng)開啟閥門VT03，開始熱沖擊。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使閥門VT02的B向開度由模擬量控制，且受控于被測試泵的入口水溫（TET02），使水溫穩(wěn)定在120 ℃。閥門VT01的開度與被測試泵試運(yùn)行時(shí)的開度相同，使流量穩(wěn)定在1 050 m·h。系統(tǒng)回路流動(dòng)如圖3粗實(shí)線所示。

圖3 熱沖擊循環(huán)回路Fig.3 Circulation loop of the thermal shock

1.6 120 ℃水4 h平穩(wěn)運(yùn)行

當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到1 min內(nèi)被測試泵入口水溫維持在120 ℃后，閥門VT02的B向全關(guān)，閥門VT03全閉。調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)使閥門VT05全開，閥門VT04的A向開度由模擬量控制，且受控于被測試泵入口水溫，以使入口水溫穩(wěn)定在120 ℃。運(yùn)行循環(huán)如圖4粗實(shí)線所示。

圖4 120 ℃水4 h運(yùn)行回路Fig.4 4-hour operation circuit of 120 ℃ water

閥門VT04的A向開度由控制系統(tǒng)根據(jù)被測試泵入口水溫預(yù)設(shè)的降溫速率0.25 ℃·min的模擬量控制，從而對(duì)120 ℃高溫水回路勻速降溫，在4 h內(nèi)將被測試泵入口水溫由120 ℃降至60 ℃。閥門VT04的A向開度由被測試泵入口水溫模擬量控制，以使泵入口水溫穩(wěn)定在60 ℃，然后開始進(jìn)行被測試泵的性能試驗(yàn)。

被測試泵的性能測試試驗(yàn)完畢后，關(guān)閉被測試泵，關(guān)閉制冷系統(tǒng)和制熱系統(tǒng)，閥門VT05關(guān)閉，閥門VT04的A向關(guān)閉。被測試泵入口三通是分別連接高、低溫水回路的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。進(jìn)行熱沖擊時(shí)，由高、低溫水調(diào)節(jié)閥分別控制高、低溫水回路的流量，170 ℃高溫水與7 ℃的低溫水由三通進(jìn)行混合，使被測試泵入口溫度由低溫狀態(tài)在數(shù)秒內(nèi)上升至120 ℃高溫狀態(tài)，完成熱沖擊試驗(yàn)。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 三通模型建立

本試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與被測試泵入口直接采用三通調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)方案相比，能夠避免三通調(diào)節(jié)閥在數(shù)秒內(nèi)直接承受近170 ℃溫差的瞬態(tài)熱沖擊，高溫水需經(jīng)過一個(gè)循環(huán)后才回到三通調(diào)節(jié)閥。三通調(diào)節(jié)閥從7 ℃上升到120 ℃所需總時(shí)間為13.03 s?？梢?，本設(shè)計(jì)方案中三通調(diào)節(jié)閥閥芯受到的熱沖擊遠(yuǎn)小于直接采用三通調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)方案中受到的熱沖擊，有利于保證三通調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命。圖5為初步建立的測試系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——被測試泵入口三通管段。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，完成后的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖6所示。

圖5 三通管段三維計(jì)算模型Fig.5 Three-dimensional model of tee pipe

圖6 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Fig.6 Structured meshing

2.2 模擬結(jié)果與分析

由泵測試規(guī)范可知，泵入口前測量截面處的流動(dòng)條件應(yīng)盡量符合軸對(duì)稱速度分布、等靜壓分布以及無因裝置引起的渦流，因此泵入口前的直管道長度應(yīng)滿足一定的條件。本文中分別在三通管至水泵距離為5D（D為三通管管徑）、10D時(shí)進(jìn)行模擬計(jì)算。

2.2.1 三通管至水泵距離為5D時(shí)

首先初步假定系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)——三通管段至被測泵入口測量截面的直管距離5D。X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場以及熱沖擊后不同時(shí)刻的溫度場分別如圖7～8所示。

圖7 X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場（5D）Fig.7 Temperature and velocity field at 0.5 s before the thermal shock on X-Z surface（5D）

在熱沖擊前0.5 s，泵入口前測量截面處的流動(dòng)條件符合軸對(duì)稱速度分布、等靜壓分布，且無因裝置引起的渦流，因此，在熱沖擊準(zhǔn)備時(shí)，7 ℃冷水在循環(huán)管路內(nèi)是定常流動(dòng)。

0.5 s后開始熱沖擊。由圖8（c）～（f）可知，在熱沖擊開始3.5 s后，泵入口前測量截面處的溫度場分布已不再變化，溫度場已趨于穩(wěn)態(tài)，但在測量截面處溫度已大大高于熱沖擊試驗(yàn)所要求的120 ℃。

圖8 X?Z面熱沖擊后不同時(shí)刻的溫度場（5D）Fig.8 Temperature field at different time after the thermal shock on X-Z surface（5D）

2.2.2 三通管至水泵距離為10D時(shí)

由于初步建立的計(jì)算模型中所假定系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)至泵入口前測量截面處的直管距離為5D，并未考慮泵性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)條件，因此再次設(shè)定系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)至泵入口測量截面的直管距離為10D。圖9～13均為采用重建后的三維計(jì)算模型所得到的模擬結(jié)果。

圖9 X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場（10D）Fig.9 Temperature and velocity field at 0.5 s before the thermal shock on X-Z surface（10D）

由圖11～13中可知，在熱沖擊開始3.5 s后，三通管出口截面處的溫度場、速度場及靜壓場分布已基本趨于穩(wěn)態(tài)，三通管出口截面處平均計(jì)算溫度已達(dá)到要求。

圖10 X?Z面熱沖擊前1.5 s靜壓場、溫度場（10D）Fig.10 Static pressure and temperature field at 1.5 s before the thermal shock on X-Z surface（10D）

圖11 X?Z面熱沖擊后不同時(shí)刻的溫度場（10D）Fig.11 Temperature field at different time after the thermal shock on X-Z surface（10D）

圖12 X?Z面熱沖擊開始4.5 s速度場Fig.12 Velocity field at 4.5 s after the thermal shock on X-Z surface

圖13 X?Z面熱沖擊后不同時(shí)刻的靜壓場（10D）Fig.13 Static pressure field at different time after the thermal shock on X-Z surface（10D）

管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)也符合泵試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的泵入口前測量截面處應(yīng)盡量符合軸對(duì)稱速度分布的流動(dòng)條件，而同時(shí)可以看到，測量截面處無因裝置引起的渦流，基本處于等靜壓分布狀態(tài)，所以泵入口前測量截面處的溫度場、速度場和壓力場均已滿足高低溫?zé)釠_擊特性測試要求。

3 結(jié) 論

由于水泵應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)的不同場合，其所處環(huán)境也各不相同，特別是當(dāng)應(yīng)用在核能發(fā)電系統(tǒng)中時(shí)，泵的工作環(huán)境尤為惡劣，需要經(jīng)受高溫?zé)釠_擊，因此有必要進(jìn)行高低溫瞬態(tài)特性測試。

本文針對(duì)熱沖擊測試平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，參考泵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，提出了一套可行的測試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，以滿足泵的不同性能試驗(yàn)的要求。

對(duì)被測試泵進(jìn)口關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)三通管至被測試泵進(jìn)口前測量截面處之間的溫度場、速度場、靜壓場進(jìn)行了數(shù)值模擬，為合理設(shè)計(jì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以及滿足測試條件提供參考，從而使測量儀器能夠準(zhǔn)確測量泵入口水溫是否能夠在要求時(shí)間內(nèi)從低溫狀態(tài)瞬間達(dá)到試驗(yàn)所要求的高溫狀態(tài)。研究成果可為水泵在特殊環(huán)境下運(yùn)行提供參考。