核主泵壓水室非定常流動(dòng)特性分析

李景悅，羅 麗

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039)

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核主泵壓水室非定常流動(dòng)特性分析

李景悅，羅 麗

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，四川成都610039)

為改良核主泵水力性能，提高核主泵安全可靠性，探究不同流量下核主泵壓水室流線變化規(guī)律，分析壓水室壓力分布特點(diǎn)，關(guān)注類隔舌位置水力壓力的時(shí)域、頻域特性，對混流式核主泵進(jìn)行全流道仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，類球形蝸殼壓力分布呈明顯的梯度變化，且在其壁面靠近類隔舌位置有最大壓力出現(xiàn)。設(shè)計(jì)工況下，壓水室壓力脈動(dòng)主要受葉頻影響，隨著流量的減小，轉(zhuǎn)頻誘發(fā)水力振動(dòng)的成分增加，但是壓水室主頻與轉(zhuǎn)頻、葉頻都存在一定的偏差。若流量過小，壓水室內(nèi)流體湍流度增加，壓水室出口段流線也將呈現(xiàn)螺旋狀。

核主泵；壓水室；流線；壓力

0 引 言

反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵(以下簡稱“核主泵”)是核電站一回路系統(tǒng)內(nèi)最關(guān)鍵的設(shè)備，也是唯一高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)器，用于輸送高溫、高壓的流體。由于工作環(huán)境的特殊性，需要保證其能在強(qiáng)輻射環(huán)境下長期、安全、可靠運(yùn)行[1- 4]。為滿足高強(qiáng)度及易維修的要求，核主泵壓水室通常被設(shè)計(jì)為類球形。壓水室結(jié)構(gòu)的改變必會(huì)造成流動(dòng)特性的變化，并影響泵的整體性能[5- 7]。因此，對核主泵壓水室進(jìn)行瞬時(shí)流動(dòng)特性分析，不僅有助于提高核主泵的安全穩(wěn)定性，對改進(jìn)壓水室設(shè)計(jì)、改良泵的水力性能也有重要的意義。

國內(nèi)葉片泵瞬時(shí)流動(dòng)特性分析技術(shù)已相對成熟[8- 15]。朱榮生等通過對離心泵的數(shù)值模擬，掌握了壓水室壓力脈動(dòng)的衰減規(guī)律[16]。劉宜等模擬了離心泵蝸殼的非定常特性，比較了單、雙蝸殼隔舌區(qū)的壓力波動(dòng)規(guī)律[17]。張玉良等研究了蝸殼變工況瞬時(shí)特性，得到蝸殼瞬態(tài)流場的演化規(guī)律[18]。然而，我國核主泵模型缺乏，設(shè)計(jì)理論、經(jīng)驗(yàn)不完善，對核主泵壓水室的研究甚少，核主泵技術(shù)與國外先進(jìn)核電技術(shù)差距甚遠(yuǎn)，至今無法實(shí)現(xiàn)核主泵技術(shù)國產(chǎn)化[19- 20]。本文通過對某混流式核主泵全流道非定常數(shù)值模擬，探究壓水室的流動(dòng)特性，可為壓水室的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)核主泵國產(chǎn)化，提高核主泵的安全可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型與數(shù)值處理方法

1.1 研究對象

本文研究對象是某混流式核主泵，其水力部分可分為進(jìn)口段、葉輪、導(dǎo)葉、壓水室4個(gè)部分。其中壓水室包括類球形蝸殼和出口段，如圖1所示。該模型泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)流量Q0=23 790 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程H=98 m，轉(zhuǎn)速n=1 485 r/min，葉輪葉片數(shù)Z=7，導(dǎo)葉葉片數(shù)Zd=12，轉(zhuǎn)頻f=24.75 Hz，葉頻fn=173.25 Hz。

圖1 核主泵流體域

1.2 網(wǎng)格化分

對核主泵整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對結(jié)構(gòu)扭曲度大以及局部小細(xì)節(jié)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。網(wǎng)格劃分后對其進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，當(dāng)水力效率變化范圍小于0.05%時(shí)，認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果影響不大。考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，最終選用網(wǎng)格總數(shù)為291萬的幾何模型，網(wǎng)格劃分見表1。

表1 核主泵網(wǎng)格化分

網(wǎng)格數(shù)進(jìn)口段葉輪導(dǎo)葉壓水室節(jié)點(diǎn)數(shù)1204123611819032149011單元數(shù)683211617909113562390214

1.3 計(jì)算求解

計(jì)算采用質(zhì)量流量進(jìn)口，壓力出口，滿足連續(xù)方程和N-S方程，選用SST湍流模型，基于有限體積法將控制方程空間離散。待定常計(jì)算收斂后，以定常計(jì)算結(jié)果為初始值，進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。

非定常計(jì)算的時(shí)間步長為葉輪旋轉(zhuǎn)3°所用時(shí)間，將葉輪旋轉(zhuǎn)5周所需時(shí)間作為計(jì)算中時(shí)長，取最后一圈的結(jié)果用于分析。對泵的揚(yáng)程、效率以及類隔舌處的壓力變化進(jìn)行監(jiān)測，在類球形蝸殼出口，出口段進(jìn)口位置，即A-A截面上設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)P1、P2、P3，監(jiān)控點(diǎn)分布如圖2所示。

圖2 監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 核主泵外特性分析

外特性是核主泵內(nèi)特性的宏觀表現(xiàn)，圖3為模型泵在不同流量下的外特性曲線圖。隨著流量的增加，泵的揚(yáng)程減小，效率增高。當(dāng)流量減小至0.5Q0時(shí)效率曲線斜率明顯增加。在接近設(shè)計(jì)工況位置有效率最高點(diǎn)，其效率為84.3%。該混流式核主泵效率較一般混流泵的效率低，而該類泵與常規(guī)混流泵最大的區(qū)別在于壓水室為類球形，因此，核主泵壓水室對其水力性能必有較大的影響。

圖3 核主泵外特性曲線

2.2 核主泵壓水室流場分析

為了解壓水室對核主泵水力性能的影響，現(xiàn)對核主泵壓水室的內(nèi)部流動(dòng)性能進(jìn)行分析。

2.2.1 壓水室流線分布特點(diǎn)

圖4給出了0.2Q0～1.0Q0工況下壓水室的流線分布。由于設(shè)計(jì)工況附近，泵內(nèi)流態(tài)相對穩(wěn)定，流體連續(xù)，在0.8Q0、1.0Q0工況下，壓水室出口段流體以近似直行的形式平滑流出。可以看到，各工況下，壓水室內(nèi)部都有不同程度的回流、渦流存在，但設(shè)計(jì)工況下壓水室的流線整體分布情況較小流量工況均勻。在0.2Q0工況，靠近導(dǎo)葉出口位置處，類球形蝸殼內(nèi)流體流速明顯高于壓水室其他位置速度。這是由于，當(dāng)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，流體流動(dòng)紊亂，且有流動(dòng)不連續(xù)現(xiàn)象發(fā)生，而在流入壓水室時(shí)有足夠的流體填補(bǔ)該空間，這也是造成該工況點(diǎn)流線呈螺旋狀的原因。

由此可見，為滿足強(qiáng)度、探傷及加工要求，核主泵蝸殼設(shè)計(jì)為類球形是以降低水力性能為代價(jià)的。

2.2.2 壓水室壓力特性

在壓水室內(nèi)主要是動(dòng)能與壓能之間的轉(zhuǎn)換，為進(jìn)一步了解壓水室流場變化規(guī)律，圖5給出了不同流量下壓水室A-A截面的壓力分布情況。

圖4 壓水室流線

圖5 壓水室壓力分布示意

圖6 壓水室壓力脈動(dòng)時(shí)域

不難發(fā)現(xiàn)，類球形蝸殼內(nèi)壓力分布呈明顯的梯度變化，并且在其外壁有局部高壓。在0.8Q0和1.0Q0工況，隨著流體經(jīng)出口段流出壓水室，流道內(nèi)靜壓逐漸減少，且分布趨于穩(wěn)定。而0.2Q0工況，壓水室出口段壓力分布均勻性較差，流體流態(tài)復(fù)雜，湍流現(xiàn)象明顯。

由于類球形蝸殼結(jié)構(gòu)上存在類似隔舌的過渡段，其流動(dòng)情況受到一定的干擾，故對過渡段的壓力脈動(dòng)情況進(jìn)行分析。

圖6揭示了A—A截面上類隔舌位置3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)靜壓隨時(shí)間的變化情況。可以看到，設(shè)計(jì)工況下壓力變化相對穩(wěn)定，偏離設(shè)計(jì)工況越遠(yuǎn)，壓力脈動(dòng)越劇烈。在0.8Q0、1.0Q0工況下，P1、P3振動(dòng)較P2劇烈，這是由于監(jiān)控點(diǎn)P1、P3位于類隔舌位置，其流態(tài)受到類球形蝸殼結(jié)構(gòu)的影響較大。流量越小，流道流體湍流程度越復(fù)雜，可以發(fā)現(xiàn)，在0.2Q0工況，監(jiān)控點(diǎn)P2壓力脈動(dòng)變得尤為劇烈。

圖7為不同流量下，各監(jiān)測點(diǎn)壓力脈動(dòng)的頻域特性。為了形象了解壓力的波動(dòng)情況，現(xiàn)引入無量綱波動(dòng)幅度CA

圖7 壓水室壓力脈動(dòng)時(shí)域

由圖7可以看到，設(shè)計(jì)工況下各監(jiān)測點(diǎn)的主頻為170.21 Hz，與葉頻相差3.04 Hz。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是壓水室中渦流、回流等不穩(wěn)定流動(dòng)與類隔舌結(jié)構(gòu)之間存在相互作用，從而對流體的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生了一定的干擾，造成主頻與葉頻之間存在偏差。0.8Q0工況下，在24.72 Hz頻率上有高峰值出現(xiàn)，在0.2Q0工況，最大峰值發(fā)生在23.51 Hz處。不難發(fā)現(xiàn)，非設(shè)計(jì)工況的最高峰值位于轉(zhuǎn)頻附近，且0.8Q0與0.2Q0工況分別與轉(zhuǎn)頻相差0.03 Hz與1.24 Hz。而在葉頻附近，非設(shè)計(jì)工況也有高峰值出現(xiàn)。由此可見，轉(zhuǎn)頻和葉頻都是造成非設(shè)計(jì)工況下壓水室壓力脈動(dòng)的原因。

3 結(jié) 論

通過對混流式核主泵壓水室瞬態(tài)流動(dòng)特性的分析，可以得到：

(1)設(shè)計(jì)工況下壓水室內(nèi)流線分布最為平滑均勻，若流量過小，壓水室出口段流線則呈現(xiàn)明顯的螺旋形。

(2)類球形蝸殼內(nèi)壓力分布呈明顯的梯度變化，并且最大壓力出現(xiàn)在類球形蝸殼外壁。

(3)設(shè)計(jì)工況下壓水室內(nèi)流動(dòng)最為穩(wěn)定，設(shè)計(jì)工況附近，類隔舌位置靠近壓水室壁面的壓力脈動(dòng)更為劇烈。

(4)設(shè)計(jì)工況下壓水室的壓力脈動(dòng)主要受葉頻影響。隨著流量的減小，轉(zhuǎn)頻誘發(fā)的壓力脈動(dòng)成分增大。

(5)壓水室內(nèi)壓力脈動(dòng)主頻與葉頻、轉(zhuǎn)頻都存在一定的偏差，類隔舌與湍流之間的相互作用是影響壓力脈動(dòng)規(guī)律的重要原因。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analyses on the Unsteady Flow Characteristic in Pressurized Water Chamber of Reactor Coolant Pump

LI Jingyue, LUO Li

(School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China)

In order to improve the hydraulic performance and reliability of reactor coolant pump, the whole flow passage is calculated. The change rules of streamline are explored and the pressure characteristics of pressurized water chamber are also analyzed. The time frequency characteristics of pressurized water chamber are introduced. The results show that the static pressure in volute appears gradient distribution obviously, and the maximum stress appears in the wall. Under the condition of designed flow rate, the fluctuation pressure in pressurized water chamber is mainly affected by blade passage frequency. With the decrease of flow, the influence of hydraulic vibration caused by rotational frequency is increased. Main frequency of pressurized water chamber exist a certain degree of deviation with blade passage frequency and rotational frequency. If the flow is too low, the streamline will wind into the spiral way in outlet．

reactor coolant pump; pressurized water chamber; streamline; pressure

2015- 12- 20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51379179)；西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(ycjj2015047)

李景悅(1991—)，女，江蘇丹陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造．

TH313

A

0559- 9342(2016)06- 0053- 04