核級多級離心泵間隙流動分析

蔣 鴻，周 婧，劉向紅

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610213；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610213)

泵是核動力裝置中常用的一種流體機械。使用高性能、高可靠性的泵，有利于核動力裝置運行的經濟性和安全性。通常人們對泵性能的研究中將工作重心主要集中在對葉輪和導葉等主要過流部件的分析上，即主要是針對過流部件的水力損失進行相關分析和改進等工作。實際上，影響泵性能的因素有很多，其中間隙就是其中之一。由于泵是由多個部件所組成，間隙的存在不可避免，而在間隙位置發生著各種能量損失，降低了泵的效率，特別對上充泵等多級離心泵而言，間隙對泵效率等的影響更為明顯。本文以典型核級多級離心泵為研究對象，采用CFD方法，研究離心泵前腔(包括口環間隙)和后腔(包括軸套間隙)處的流動情況，分析泄漏量ΔQ、進口周向速度Vu、間隙寬度b對泵性能的影響，并對前腔流動情況和后腔流動情況做了對比計算，分析其不同流動特性產生的原因。

1 研究對象

前腔是葉輪前蓋板與泵體之間的環狀區域。在泵運行期間，從葉輪出口流出的流體，有一小部分會通過葉頂間隙流入前腔，并在壓差的作用下，通過口環間隙流回本級葉輪的入口處。

后腔是葉輪后蓋板與泵體之間的環狀區域。在泵運行期間，由于導葉的擴壓作用，使多級泵中次級葉輪進口處的壓強比前一級葉輪出口處的壓強大。在壓差的作用下，次級葉輪進口附近的部分流體會通過軸套間隙流入后腔，并在前一級葉輪出口處與主流匯合，重新進入導葉流向次級葉輪進口。泵腔結構示意圖見圖1。

2 控制方程

CFD計算的基本控制方程是連續方程和Navier-Stokes方程，對不可壓縮流體的時間平均流動的控制方程[1]如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，U——速度矢量；

u,v,w——速度矢量在x,y,z方向上的分量；

p——作用于流體微元體上的壓力；

ρ——流體密度；

ν——運動黏性系數；

上標“—”表示參數對時間的平均值；

上標“′”表示參數的脈動值。

湍流模型采用k-ε。

3 計算方法和邊界條件

3.1 計算方法

采用CFD方法求解控制方程。在計算蓋板對流體的摩擦功率P時，摩擦功率計算公式如下：

P=Tz·ω

(5)

式中，Tz——蓋板的摩擦力矩；

ω——蓋板轉動的角速度。

3.2 邊界條件

在分析泄漏量對其他參數的影響時，將計算域的進口設置為速度邊界條件；

在計算間隙寬度對其他參數的影響時，將計算域進出口設置為壓力邊界條件，給定進出口的壓差，以分析在恒定壓差的情況下，間隙寬度與其他參數之間的關系。

考慮到研究對象的對稱性布置，只在圓周方向上取1°范圍內的流體域作為計算域進行計算，采用周期性邊界條件。

4 流動分析

4.1 前腔

4.1.1 泄漏量ΔQ、進口圓周速度Vu對圓盤摩擦損失P的影響

建立圖2所示的計算模型，模型主要參數如下。

·軸向寬度(b)：2 mm;

·最大半徑：80 mm;

·最小半徑：50 mm;

·蓋板轉速:1 500 r/min;

·泄漏量(ΔQ)：0.5～2.5 m3/h;

·進口周向速度(Vu)：0～8 m/s。

圖2 前腔計算模型

經CFD分析，圓盤摩擦損失P與泄漏量ΔQ、進口周向速度Vu的關系曲線如圖3所示。從圖中可以看到：在不同進口周向速度下，圓盤摩擦損失隨泄漏量變化的規律不同。當周向速度Vu較小時，摩擦損失P隨泄漏量增大而增大；當周向速度Vu達到一定數值，摩擦損失P變為隨泄漏量增大而減小。

圖3 P與ΔQ、Vu的關系曲線

4.1.2 間隙寬度b對泄漏量ΔQ、圓盤摩擦損失P的影響

將前腔的簡化模型局部的網格細分，如圖4所示。計算中出口寬度代表間隙寬度b，不考慮間隙長度的影響。

計算模型及相關參數如下。

·間隙寬度：0.1 ～ 0.3 mm;

·進出口壓差： 2×105Pa;

·進口周向速度：0～8 m/s。

圖4 前腔計算模型

圖5為泄漏量ΔQ與間隙寬度b的關系曲線。從圖5中可以看到：在其他條件不變的情況下，泄漏量ΔQ隨著間隙寬度b的減小而按一定的比例關系減小。

圖5 b與ΔQ的關系曲線

圖6是摩擦損失P與間隙寬度b的關系曲線。從圖6中可以看到：在進出口壓差不變的情況下，摩擦損失P并不一定是隨著間隙寬度b的減小而減小的，在流體進口周向速度達到一定數值時，摩擦損失可能隨著間隙寬度減小而增大。也就是說，流體的進口周向速度會對圓盤損失的大小產生影響，因此對間隙部分進行分析時需要考慮流體進口周向速度。

圖6 b與P的關系曲線

為提高泵的效率，應該盡量減小泵內的各種損失。由于泄漏量總隨著間隙寬度b的減小而減小，但圓盤摩擦損失并不一定是隨著間隙寬度的減小而減小，因此，一味減小間隙寬度不一定能使總損失最小。只有針對實際情況，選擇合適的間隙寬度，均衡考慮圓盤摩擦損失和容積損失，才可能使兩者之和最小，達到提高效率的目的。

實際上，間隙寬度b的變化會導致泄漏量ΔQ的變化，也就會影響通過葉輪內部的流量，葉輪的流動情況會隨之發生變化，造成不同間隙下有不同的進出口條件。

4.2 后腔

建立如圖7所示的計算模型，分析相同壓差下，間隙寬度對相關參數的影響。

圖7 后腔計算模型

計算參數如下：

·軸向寬度：2 mm;

·最大半徑：80 mm;

·最小半徑：50 mm;

·間隙長度：5 mm;

·間隙寬度：0.05～0.25 mm;

·進出口壓差：50 000 Pa;

·蓋板轉速：1 500 r/min。

由于后腔入口在導葉的出口附近，經過導葉擴壓后，流體的周向速度較小，因此不考慮入口周向速度對流場的影響。

圖8 ΔQ、P與b的關系曲線

從圖中可以看到：在同樣的進出口壓差下，泄漏量隨著間隙寬度的增大而快速增大，圓盤摩擦損失也隨著間隙的增大而增大。

實際運行中，由于多級泵各個運行工況下后腔進出口的壓差基本不變，應該盡量減小軸套間隙的寬度以減小后腔部分的能量損失。

4.3 前腔與后腔流動的差別

考慮后腔和前腔流動情況的不同，兩者的摩擦損失存在不同。一般情況下，后腔的摩擦損失應比前腔的摩擦損失更大。

將圖2所示的模型的進、出口做如圖9所示的修改，并與前腔進行對比計算，以分析不同泄漏量下兩者摩擦損失的區別。計算中，前腔進口周向速度Vu=0～8 m/s，后腔進口周向速度Vu=0 m/s。

圖9 后腔計算模型

圖10(a)是前腔進口周向速度Vu=0 m/s時，前腔和后腔的圓盤摩擦損失比較曲線；圖10(b)是前腔進口周向速度Vu=8 m/s時，前腔和后腔的圓盤摩擦損失比較曲線。從圖10(a)可以發現：在相同泄漏量的情況下，后腔部分的摩擦損失大于前腔，而變化趨勢相近；而在圖10(b)中，前腔摩擦損失隨著流量增大而減小，其變化規律與后腔有明顯差異。

圖10 圓盤摩擦損失比較(Vu=8 m/s)

造成該現象的原因主要在于前蓋板和后蓋板不同的進、出口條件。后腔部分流體是離心流動，而且在進口處一般沒有周向速度，從軸套附近流入后腔后，沿半徑增大的方向流動，由于蓋板的周向速度是沿半徑方向不斷增大的，在后蓋板的帶動下，流體周向速度不斷增大，這需要不斷地從后蓋板獲取能量；而前腔部分流體是向心流動，從葉輪出口附近進入前腔，沿半徑減小的方向流動，根據動量矩定理，流體周向速度逐漸增大，和前蓋板的相對速度逐漸減小，當兩者相等時，流體就不再需要從蓋板處獲取能量。而另一種更極端的現象就是：由于前腔部分流體是向心流動，當流體流到半徑較小的位置時，流體周向速度甚至會高于蓋板的旋轉速度，此時，不再是蓋板提供能量給流體，而是流體提供能量給蓋板，在這種情況下，泄漏量越大，蓋板消耗的能量反而越小。這種現象通常出現在流體的進口周向速度比較大時，是圖10(b)中前腔摩擦損失規律產生的主要原因。

綜上所述，前腔、后腔的圓盤摩擦損失變化規律如下：前腔流體的進口速度一般帶有周向速度，而且是向心流動，需要消耗的功率較小，造成較小的摩擦損失；而后腔流體的進口速度為軸向，無周向速度，而且是離心流動，需要消耗較大的功率，因而造成較大的摩擦損失。

5 結論

本文以核級多級離心泵中前腔和后腔為研究對象，分析了進口圓周速度、間隙寬度等參數對容積損失和圓盤摩擦損失的影響，并對前腔和后腔不同的流動情況進行了對比分析，得出如下結論：

1)前腔部分的圓盤摩擦損失變化規律比較復雜，當流體進口周向速度較小的時候，它隨容積損失、間隙寬度的增大而增大；而當流體進口周向速度比較大時，它有可能隨容積損失、間隙寬度的增大而減小。

2)在其他條件不變時，容積損失隨著間隙寬度的增大而增大；對前腔部分而言，進口周向速度增大時，其容積損失的增加速度會逐漸減小。

3)由于流動特性的不同，后腔部分的摩擦損失比前腔的損失大。在進行結構設計和加工時應注意采取措施，以減小后腔部分的損失。

4)為減小間隙造成的能量損失，應盡量減小軸套間隙的寬度，而口環間隙的寬度應該綜合考慮圓盤摩擦損失和容積損失。