快堆一回路主循環(huán)鈉泵泵蓋傳熱數(shù)值模擬

徐鑫

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院設(shè)計(jì)所 北京 102413）

一回路主循環(huán)鈉泵是快堆一回路主冷卻系統(tǒng)中的核心設(shè)備。一回路主循環(huán)鈉泵［1］因其流量較大，故而采取效率高、揚(yáng)程大的機(jī)械泵［2］，它的主要作用是為冷卻劑的循環(huán)提供動(dòng)力，進(jìn)而將堆芯熱量排出，鈉泵下端的逆止閥、泵室、葉輪及部分主軸和泵殼浸沒在高溫的液鈉中，液鈉上表面覆蓋氬氣層，在氬氣層上部設(shè)置泵蓋，用來(lái)阻止反應(yīng)堆內(nèi)熱量散發(fā)，使反應(yīng)堆外溫度控制在合理水平；同時(shí)，在反應(yīng)堆外通過空氣的自然、強(qiáng)迫散熱和蒸餾水冷卻器對(duì)上部軸承油槽、雙端面密封［3］油槽的冷卻等措施，使鈉泵在堆容器外部的部件溫度處于合適水平。

整個(gè)鈉泵系統(tǒng)的熱源包括液鈉、被液鈉加熱而產(chǎn)生對(duì)流的氬氣、軸承和密封的損耗熱，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的攪拌損耗以及鈉的熱輻射。傳熱方式包括結(jié)構(gòu)件內(nèi)的熱傳導(dǎo)、氬氣與結(jié)構(gòu)件的對(duì)流換熱及熱輻射。

鈉泵結(jié)構(gòu)中的泵蓋和隔熱［4-6］板將鈉泵分成了高溫部分和低溫部分，其中，泵蓋起到了主要作用。泵蓋的隔熱設(shè)計(jì)是否成功將決定泵蓋上方部件的溫度水平，并進(jìn)而影響軸封和上部軸承等結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全與壽命。本文采用CFD［7-9］方法對(duì)一回路主循環(huán)鈉泵進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，針對(duì)泵蓋溫度分布情況進(jìn)行分析。

1 模型建立

鈉泵結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析的有限元分析模型包括電機(jī)支架、泵蓋、隔熱板、泵體和主軸，如圖1所示。

圖1 鈉泵溫度場(chǎng)分析對(duì)象

2 網(wǎng)格與邊界條件

采用ANSYS Fluent Meshing 劃分多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格應(yīng)用了混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，總網(wǎng)格數(shù)量2066 萬(wàn)，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

將空氣、氬氣與結(jié)構(gòu)表面的接觸面設(shè)置為熱對(duì)流換熱邊界，同時(shí)，將堆容器外部空氣的溫度設(shè)為30℃，假設(shè)鈉液面上部氬氣溫度與鈉液以下的結(jié)構(gòu)溫度設(shè)置相同。由于軸承和雙端面密封的損耗熱和冷卻系統(tǒng)帶走的熱量等數(shù)據(jù)暫時(shí)無(wú)法得到，假設(shè)兩者正好互相抵消，同時(shí)，假設(shè)多層隔熱板結(jié)構(gòu)隔絕了鈉液面與泵蓋下表面間的熱輻射。

不同運(yùn)行工況下，鈉泵所處的液鈉池溫度是不同的，見表1，作為完整的鈉泵溫度特性計(jì)算，需要對(duì)表1中的所有工況都進(jìn)行計(jì)算。

表1 鈉泵溫度場(chǎng)分析工況表

鈉泵整體溫度場(chǎng)額定工況下邊界條件具體設(shè)置，自然對(duì)流的換熱系數(shù)一般為1～10W/m2·℃。泵蓋以上部件的散熱環(huán)境較好，但為使計(jì)算結(jié)果偏向于保守，這些部件與空氣接觸面的散熱系數(shù)取5W/m2·℃；泵蓋下表面與隔熱板間的氬氣層對(duì)流條件較差，將部件與氬氣接觸面的散熱系數(shù)也取5W/m2·℃；隔熱板以下的部件與氬氣接觸面的散熱系數(shù)取10W/m2·℃；液鈉浸沒區(qū)的溫度設(shè)為液鈉的溫度。強(qiáng)迫通風(fēng)1000m3/h 的空氣，進(jìn)風(fēng)口空氣溫度為30℃。對(duì)于溫度場(chǎng)計(jì)算，其余工況的邊界條件差別僅在于鈉液和氬氣溫度，模型如圖3所示。

圖3 模型示意圖

3 計(jì)算結(jié)果分析

使用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)上圖中的模型進(jìn)行計(jì)算，得到設(shè)計(jì)工況下鈉泵的溫度場(chǎng)分布，如圖4至圖7所示。

圖4 0°截面溫度分布

圖6 截面溫度分布

圖7 截面溫度分布

從計(jì)算結(jié)果可知：鈉泵整體溫度如預(yù)期呈現(xiàn)出自下而上逐漸降低；主軸周向溫度分布均勻，在檢修密封處溫度74.5℃；泵蓋最高溫度220℃，出現(xiàn)在下表面，最低溫度32℃，出現(xiàn)在上表面，泵蓋起到了良好的隔熱效果，泵蓋上表面溫度低于45℃。

從結(jié)果來(lái)看，由于主軸與泵蓋不同心，同時(shí)為了穿過液位計(jì)、流量計(jì)、止回閥而在泵蓋上開了孔，并且這些開孔在周向分布是不均勻的，造成泵蓋在周向的溫度分布也不均勻，以圖5為例，泵蓋外徑側(cè)遠(yuǎn)離出風(fēng)孔的部位比靠近出風(fēng)孔的部位溫度高約8℃，如圖7所示，主軸的溫度周向均勻性較好。

圖5 截面溫度分布

針對(duì)表2中4種工況分別做了計(jì)算，溫度分布規(guī)律與泵額定工況基本一致，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 各工況下溫度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過對(duì)快堆一回路主循環(huán)鈉泵及泵蓋進(jìn)行傳熱數(shù)值模擬分析后，得出以下結(jié)論。

（1）鈉泵整體溫度呈現(xiàn)出自下而上逐漸降低，主軸軸向溫度分布均勻。

（2）各工況下，環(huán)境溫度30℃，泵蓋的強(qiáng)迫通風(fēng)風(fēng)量為1000m3/h，泵蓋上表面均溫度沒有超過安全準(zhǔn)則要求溫度60℃，鈉泵泵蓋隔熱設(shè)計(jì)和風(fēng)量選擇是合理的。