核主泵壓水室非定常流動特性分析

李景悅，羅 麗

(西華大學能源與動力工程學院，四川成都610039)

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核主泵壓水室非定常流動特性分析

李景悅，羅 麗

(西華大學能源與動力工程學院，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律，分析壓水室壓力分布特點，關注類隔舌位置水力壓力的時域、頻域特性，對混流式核主泵進行全流道仿真計算。計算結果表明，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。設計工況下，壓水室壓力脈動主要受葉頻影響，隨著流量的減小，轉頻誘發水力振動的成分增加，但是壓水室主頻與轉頻、葉頻都存在一定的偏差。若流量過小，壓水室內流體湍流度增加，壓水室出口段流線也將呈現螺旋狀。

核主泵；壓水室；流線；壓力

0 引 言

反應堆冷卻劑循環泵(以下簡稱“核主泵”)是核電站一回路系統內最關鍵的設備，也是唯一高速旋轉的機器，用于輸送高溫、高壓的流體。由于工作環境的特殊性，需要保證其能在強輻射環境下長期、安全、可靠運行[1- 4]。為滿足高強度及易維修的要求，核主泵壓水室通常被設計為類球形。壓水室結構的改變必會造成流動特性的變化，并影響泵的整體性能[5- 7]。因此，對核主泵壓水室進行瞬時流動特性分析，不僅有助于提高核主泵的安全穩定性，對改進壓水室設計、改良泵的水力性能也有重要的意義。

國內葉片泵瞬時流動特性分析技術已相對成熟[8- 15]。朱榮生等通過對離心泵的數值模擬，掌握了壓水室壓力脈動的衰減規律[16]。劉宜等模擬了離心泵蝸殼的非定常特性，比較了單、雙蝸殼隔舌區的壓力波動規律[17]。張玉良等研究了蝸殼變工況瞬時特性，得到蝸殼瞬態流場的演化規律[18]。然而，我國核主泵模型缺乏，設計理論、經驗不完善，對核主泵壓水室的研究甚少，核主泵技術與國外先進核電技術差距甚遠，至今無法實現核主泵技術國產化[19- 20]。本文通過對某混流式核主泵全流道非定常數值模擬，探究壓水室的流動特性，可為壓水室的優化設計，以及實現核主泵國產化，提高核主泵的安全可靠性奠定基礎。

1 計算模型與數值處理方法

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口段、葉輪、導葉、壓水室4個部分。其中壓水室包括類球形蝸殼和出口段，如圖1所示。該模型泵的設計參數為：設計流量Q0=23 790 m3/h，設計揚程H=98 m，轉速n=1 485 r/min，葉輪葉片數Z=7，導葉葉片數Zd=12，轉頻f=24.75 Hz，葉頻fn=173.25 Hz。

圖1 核主泵流體域

1.2 網格化分

對核主泵整個計算域采用非結構化網格劃分，并對結構扭曲度大以及局部小細節進行網格加密處理。網格劃分后對其進行無關性檢驗，當水力效率變化范圍小于0.05%時，認為網格數量對計算結果影響不大。考慮到計算機的計算能力，最終選用網格總數為291萬的幾何模型，網格劃分見表1。

表1 核主泵網格化分

網格數進口段葉輪導葉壓水室節點數1204123611819032149011單元數683211617909113562390214

1.3 計算求解

計算采用質量流量進口，壓力出口，滿足連續方程和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。待定常計算收斂后，以定常計算結果為初始值，進行非定常數值模擬。

非定常計算的時間步長為葉輪旋轉3°所用時間，將葉輪旋轉5周所需時間作為計算中時長，取最后一圈的結果用于分析。對泵的揚程、效率以及類隔舌處的壓力變化進行監測，在類球形蝸殼出口，出口段進口位置，即A-A截面上設置監控點P1、P2、P3，監控點分布如圖2所示。

圖2 監控點設置

2 結果分析

2.1 核主泵外特性分析

外特性是核主泵內特性的宏觀表現，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，泵的揚程減小，效率增高。當流量減小至0.5Q0時效率曲線斜率明顯增加。在接近設計工況位置有效率最高點，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，而該類泵與常規混流泵最大的區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，現對核主泵壓水室的內部流動性能進行分析。

2.2.1 壓水室流線分布特點

圖4給出了0.2Q0～1.0Q0工況下壓水室的流線分布。由于設計工況附近，泵內流態相對穩定，流體連續，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，壓水室內部都有不同程度的回流、渦流存在，但設計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，靠近導葉出口位置處，類球形蝸殼內流體流速明顯高于壓水室其他位置速度。這是由于，當流量遠遠偏離設計工況時，流體流動紊亂，且有流動不連續現象發生，而在流入壓水室時有足夠的流體填補該空間，這也是造成該工況點流線呈螺旋狀的原因。

由此可見，為滿足強度、探傷及加工要求，核主泵蝸殼設計為類球形是以降低水力性能為代價的。

2.2.2 壓水室壓力特性

在壓水室內主要是動能與壓能之間的轉換，為進一步了解壓水室流場變化規律，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 壓水室壓力脈動時域

不難發現，類球形蝸殼內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，隨著流體經出口段流出壓水室，流道內靜壓逐漸減少，且分布趨于穩定。而0.2Q0工況，壓水室出口段壓力分布均勻性較差，流體流態復雜，湍流現象明顯。

由于類球形蝸殼結構上存在類似隔舌的過渡段，其流動情況受到一定的干擾，故對過渡段的壓力脈動情況進行分析。

圖6揭示了A—A截面上類隔舌位置3個監控點靜壓隨時間的變化情況。可以看到，設計工況下壓力變化相對穩定，偏離設計工況越遠，壓力脈動越劇烈。在0.8Q0、1.0Q0工況下，P1、P3振動較P2劇烈，這是由于監控點P1、P3位于類隔舌位置，其流態受到類球形蝸殼結構的影響較大。流量越小，流道流體湍流程度越復雜，可以發現，在0.2Q0工況，監控點P2壓力脈動變得尤為劇烈。

圖7為不同流量下，各監測點壓力脈動的頻域特性。為了形象了解壓力的波動情況，現引入無量綱波動幅度CA

圖7 壓水室壓力脈動時域

由圖7可以看到，設計工況下各監測點的主頻為170.21 Hz，與葉頻相差3.04 Hz。出現該現象的原因是壓水室中渦流、回流等不穩定流動與類隔舌結構之間存在相互作用，從而對流體的壓力脈動產生了一定的干擾，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，在0.2Q0工況，最大峰值發生在23.51 Hz處。不難發現，非設計工況的最高峰值位于轉頻附近，且0.8Q0與0.2Q0工況分別與轉頻相差0.03 Hz與1.24 Hz。而在葉頻附近，非設計工況也有高峰值出現。由此可見，轉頻和葉頻都是造成非設計工況下壓水室壓力脈動的原因。

3 結 論

通過對混流式核主泵壓水室瞬態流動特性的分析，可以得到：

(1)設計工況下壓水室內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明顯的螺旋形。

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

(3)設計工況下壓水室內流動最為穩定，設計工況附近，類隔舌位置靠近壓水室壁面的壓力脈動更為劇烈。

(4)設計工況下壓水室的壓力脈動主要受葉頻影響。隨著流量的減小，轉頻誘發的壓力脈動成分增大。

(5)壓水室內壓力脈動主頻與葉頻、轉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規律的重要原因。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金資助項目(51379179)；西華大學研究生創新基金資助項目(ycjj2015047)

李景悅(1991—)，女，江蘇丹陽人，碩士研究生，研究方向為流體機械數字化設計與制造．

TH313

A

0559- 9342(2016)06- 0053- 04