1000MW 核主泵水力計算與壓力脈動分析

霍澤宇

（哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

核主泵又叫做核電站反應堆冷卻劑主泵，是核電站系統的重要組成部分之一，主要功能是為核反應堆冷卻劑提供循環的動力，核主泵的運行既要滿足水力的功能性要求，保證運行的穩定，又要考慮到壓力脈動的影響。核主泵內部結構較為復雜，受到葉頂間隙和輪轂旋轉等邊界因素的影響。本文通過試驗，對軸流式核主泵進行研究，主泵由泵殼、葉輪罩、導葉以及葉輪等部件組成，結構見圖1。首先采用穩態方法計算栗整機流場，將數值與試驗值對比分析，確定CFD 數值計算方式的準確，然后又在計算中設置15 個壓力脈動監測點，用來研究主泵內部的壓力脈動規律等情況。

圖1 主泵水力部件圖

1 泵參數及模型

1000MW 核電機組軸流泵葉輪設計參數為: 設計流量Q=23790 m2/h、揚程H=97.2 m、運行轉速n=1484 r/min、比轉速n,=450。葉輪有5 個葉片、14 個導葉片。軸頻率f=24.77 Hz、葉輪通過頻率fy=123.83、導葉通過頻率fd=346.7。根據參數建立計算模型，由葉輪罩、葉輪、導葉和泵殼組成。

2 穩態核主泵水力計算

2.1 網格及邊界條件

主泵水力網格的數量以及分布情況對計算結果都會產生一定的影響，直接關系到計算過程中主泵運行的穩定以及數值計算結果的準確。模型計算中采用的是六面體網格，在旋轉部件、流動比較劇烈的位置以及靜態壁面等地方都用加密的網格控制。網格如圖2。流體模型采用的是RNG k-ε 模型，進口區域指定了流量，出口區域設定壓力邊界，壁面無滑移邊界。

圖2 主泵水力部件網格

2.2 結果分析

在核主泵中，冷卻用水從泵殼的進口到出口這一流動過程中是具有一定的能量變化的，圖3 顯示的是主泵剖面壓力分布情況。從圖3 可以看出，在泵進口到葉輪前階段之間冷卻水壓力損失，在葉輪的入口處壓力最小，然后葉輪旋轉對冷卻水開始作用，冷卻水的壓力隨之加大，而后冷卻水經過導葉，導葉將冷卻水整流并將水速轉化為壓力能，此時冷卻水的壓力處于最強，最后冷卻水流出泵口，壓力逐漸降低。

圖3 主泵剖面壓力分布云圖

3 非穩態壓力脈動分析

非穩態模擬計算中，主泵的流道內有一定的脈動情況發生，于是在主要位置設置了脈動監測點。為了精準分析主泵內葉輪、導葉以及流體的變化情況，在主泵的流道內設置了15 個監測點，主泵進口區域有3 個、葉輪處4 個、導葉處4 個以及主泵泵殼出口區域共4 個。

圖4 泵進口流線圖

圖5 流量-揚程外特性曲線

從各監測點壓力隨時間變化的規律圖像，可以看出，監測點的壓力脈動呈現出了明顯的變化規律。進口3 監測點的壓力脈動變化均勻，周期性較好，因為這個區域只是受到葉輪的影響，所以壓力脈動呈現的是一種規則的正弦波。葉輪4 監測點的壓力脈動情況就相對復雜一些，受到葉輪和導葉的共同作用影響，波峰波谷會有二次產生的情況，但總體還是有較為明顯的周期性。導葉4 和泵殼出口4 監測點的波動幅度比葉輪4 監測點的變化小一些，但是同一時間內變化次數多，說明這個區域內的脈動頻率是比較高的。主泵泵殼冷卻水的進水區域是屬于低壓狀態，為了監測壓力脈動情況，在軸向設置3 個監測點。葉輪進口區域內在葉輪抽吸的作用下，葉輪壓力面和吸力面產生了一定的壓力梯度，而且受到液流對葉輪進口的沖擊影響，在旋轉葉輪時會引起進口區域內的壓力脈動。

4 軸向力和功率脈動分析

軸流泵葉輪旋轉過程中對冷卻水做功，驅動冷卻水在核反應堆內循環。與此同時，軸流泵葉輪葉片受到冷卻水的反作用力，葉片受力脈動是葉片所受的主要疲勞載荷，脈動幅值大小和頻率成分直接影響葉輪的使用壽命。

5 結論

綜上所述，本文通過對1000MW 核主泵進行全流道水力性能計算，與試驗值比較分析，而且對核主泵非穩態三維流動過程進行分析，研究探討了相關的壓力脈動特性。對核主泵不同流量時水力性能的仿真計算結果與試驗值之間的誤差小于5%，因此數值具有較大的科學性和可靠性。核主泵的壓力脈動情況分析結果顯示，核主泵在泵殼進口處的壓力脈動呈規則的正弦波狀態，但是脈動頻率的種類多，而且幅值也比較大，泵殼出口處的壓力脈動弱。本次試驗采用的是科學的計算方式，計算結果精準性高，有較大的參考意義。