快堆一回路主循環(huán)鈉泵泵蓋傳熱數(shù)值模擬

徐鑫

（中國原子能科學研究院設計所 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、揚程大的機械泵［2］，它的主要作用是為冷卻劑的循環(huán)提供動力，進而將堆芯熱量排出，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，在氬氣層上部設置泵蓋，用來阻止反應堆內熱量散發(fā)，使反應堆外溫度控制在合理水平；同時，在反應堆外通過空氣的自然、強迫散熱和蒸餾水冷卻器對上部軸承油槽、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。

整個鈉泵系統(tǒng)的熱源包括液鈉、被液鈉加熱而產(chǎn)生對流的氬氣、軸承和密封的損耗熱，轉動部件的攪拌損耗以及鈉的熱輻射。傳熱方式包括結構件內的熱傳導、氬氣與結構件的對流換熱及熱輻射。

鈉泵結構中的泵蓋和隔熱［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。泵蓋的隔熱設計是否成功將決定泵蓋上方部件的溫度水平，并進而影響軸封和上部軸承等結構的運行安全與壽命。本文采用CFD［7-9］方法對一回路主循環(huán)鈉泵進行溫度場計算，針對泵蓋溫度分布情況進行分析。

1 模型建立

鈉泵結構溫度場分析的有限元分析模型包括電機支架、泵蓋、隔熱板、泵體和主軸，如圖1所示。

圖1 鈉泵溫度場分析對象

2 網(wǎng)格與邊界條件

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

圖2 網(wǎng)格劃分

將空氣、氬氣與結構表面的接觸面設置為熱對流換熱邊界，同時，將堆容器外部空氣的溫度設為30℃，假設鈉液面上部氬氣溫度與鈉液以下的結構溫度設置相同。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)暫時無法得到，假設兩者正好互相抵消，同時，假設多層隔熱板結構隔絕了鈉液面與泵蓋下表面間的熱輻射。

不同運行工況下，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算，需要對表1中的所有工況都進行計算。

表1 鈉泵溫度場分析工況表

鈉泵整體溫度場額定工況下邊界條件具體設置，自然對流的換熱系數(shù)一般為1~10W/m2·℃。泵蓋以上部件的散熱環(huán)境較好，但為使計算結果偏向于保守，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)的溫度設為液鈉的溫度。強迫通風1000m3/h的空氣，進風口空氣溫度為30℃。對于溫度場計算，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 計算結果分析

使用有限元分析軟件ANSYS對上圖中的模型進行計算，得到設計工況下鈉泵的溫度場分布，如圖4至圖7所示。

圖4 0°截面溫度分布

圖5 截面溫度分布

圖6 截面溫度分布

圖7 截面溫度分布

從計算結果可知：鈉泵整體溫度如預期呈現(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℃。

從結果來看，由于主軸與泵蓋不同心，同時為了穿過液位計、流量計、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，泵蓋外徑側遠離出風孔的部位比靠近出風孔的部位溫度高約8℃，如圖7所示，主軸的溫度周向均勻性較好。

針對表2中4種工況分別做了計算，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 各工況下溫度計算結果

4 結論

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

（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℃，泵蓋的強迫通風風量為1000m3/h，泵蓋上表面均溫度沒有超過安全準則要求溫度60℃，鈉泵泵蓋隔熱設計和風量選擇是合理的。