張亞玲, 符玲莉, 李 忠

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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混流式核主泵內(nèi)部流動研究現(xiàn)狀與趨勢

張亞玲, 符玲莉, 李 忠

(江蘇大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

指出了混流式核主泵在核島中有著十分重要的地位，闡述了混流式核主泵內(nèi)部流動的研究現(xiàn)狀及混流式核主泵內(nèi)部流動研究的發(fā)展趨勢，進(jìn)一步分析了混流式核主泵內(nèi)部流動的發(fā)展前景以及可達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益。

混流式核主泵；內(nèi)部流動；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

1　引言

核反應(yīng)堆冷卻劑主循環(huán)泵簡稱核主泵，是核電站中唯一的旋轉(zhuǎn)部件，同時它也是確保電站安全以及可靠運行的關(guān)鍵設(shè)備，因此被喻為核反應(yīng)堆的“心臟”。但是它運行的同時會消耗大量的能源，而隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問題越來越突出，備受人們的關(guān)注，因此提高核主泵的水力性能和能量性能對提高國民經(jīng)濟(jì)和節(jié)能減排有著十分重要的意義。以混流式核主泵的水力模型作為研究的對象，通過混流式核主泵內(nèi)部流動實驗來揭示核主泵的內(nèi)部流動規(guī)律，進(jìn)而為核主泵的設(shè)計優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，是一種可行且可靠的方法。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)國外有限的資料，利用反設(shè)計的方法參數(shù)化，從而定量分析不同的設(shè)計參數(shù)對泵的效率和吸入特性等性能的影響。韓國原子能技術(shù)研究院[1]通過混流泵實驗和數(shù)值分析的方法，對非正常工況的核主泵進(jìn)行了在線監(jiān)測的研究，并且得到了新的監(jiān)測與診斷的方法。Knierim等[2]利用FLUENT軟件進(jìn)行計算與分析，得到了流體能量損失主要因為流體在液管附近發(fā)生分離。M.Miyabe[3]通過PIV測量和非定常CFD計算研究了內(nèi)部流動與性能不穩(wěn)定的關(guān)系。Kurokawa[4]利用實驗總結(jié)出通過J形槽來阻止葉輪進(jìn)口回流，進(jìn)而抑制泵性能不穩(wěn)定性的方法。Muggli[5]等人通過CFD計算預(yù)測了高比轉(zhuǎn)速混流泵的性能。 Sekino[6]等通過實驗進(jìn)行對比得到了SST湍流模型對泵流動特性與性能預(yù)測更準(zhǔn)確。M.ZangenehA.Goto[7,8]等使用流動的可視化以及相位鎖定測量的實驗對葉輪內(nèi)部流場進(jìn)行了研究，得到了利用三維反設(shè)計方法能夠抑制葉片吸力面的二次流，并且研發(fā)了一種泵設(shè)計系統(tǒng)來提高泵性能。Poullikkas等[9]人利用高速數(shù)碼拍攝技術(shù)分析了氣液兩相流動的規(guī)律，并提出了一種改進(jìn)模型用來計算泵的能量。

單玉嬌等[10]用傳統(tǒng)模型變換法結(jié)合CFD數(shù)值分析的方法設(shè)計出優(yōu)良的AP1000水力模型。王春林等[11]利用數(shù)值模擬揭示了內(nèi)流場的特性，得到內(nèi)流場的靜壓分布具有非對稱性，且不同的導(dǎo)葉形式對泵性能與內(nèi)流場有影響。李穎、周文霞[12]通過CFD對核主泵進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬，得到了核主泵內(nèi)部流場的變化情況，并對壓力和速度的分布進(jìn)行了分析。秦杰等[13]利用FLUENT軟件以及數(shù)值模擬的方法分析了主泵內(nèi)部流動的特征。大連理工大學(xué)徐士鳴、張棟俊[14]通過CFD技術(shù)以及FLUENT軟件對不同形狀的類球形壓水室進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了泵內(nèi)總壓、靜壓和速度矢量圖，并且分析了核主泵內(nèi)流場的特點。謝蓉等[15]利用三維湍流數(shù)值模擬，通過內(nèi)部流動分析對葉輪葉型優(yōu)化設(shè)計，提高了葉輪的水力效率。葉輪與導(dǎo)葉是影響泵水力性能的重要因素，楊敏官等[16～18]指出導(dǎo)葉與殼體分配對內(nèi)部流動狀態(tài)有著較大的影響，同時葉片厚度及其分布規(guī)律與導(dǎo)葉數(shù)與進(jìn)口邊位置對混流式核主泵的能量性能與水力性能有影響。黎義斌等得到導(dǎo)葉分布與相對位置會誘發(fā)靜壓脈動。李靖等得到主泵模型泵導(dǎo)葉采用非均布的形式可以提升模型泵的性能，同時降低泵的振動和噪聲，防止造成動態(tài)損壞，提高核主泵的可靠性與安全性。

綜上所述，對于混流式核主泵的研究多采用三元數(shù)值理論、計算機技術(shù)和數(shù)值計算等方法，同時利用FLUENT軟件和CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)而分析混流式核主泵的內(nèi)部流動特性，最終對主泵的水力性能和能量性能進(jìn)行優(yōu)化。但是由于實驗成本的限制，對混流式核主泵內(nèi)部流動的實驗研究較少，分析核主泵內(nèi)流特性的工作也不多。因此，通過實驗手段對混流式核主泵內(nèi)部流動進(jìn)行研究是十分必要的。

3　發(fā)展趨勢

雖然國內(nèi)外學(xué)者提出了混流泵葉輪的水利設(shè)計方法，利用數(shù)值模擬的方法對內(nèi)部流場的結(jié)構(gòu)、能量性能等進(jìn)行了研究，但是由于實驗成本的限制，高效的混流式核主泵模型并不多，對高效的核主泵模型進(jìn)行內(nèi)部流動的實驗研究和對核主泵內(nèi)部流動特性的分析工作也不多。因此，利用實驗驗證優(yōu)秀的水力模型的內(nèi)流特性，分析性能優(yōu)越性的原因，是一種既可靠又可行的研究方法，也是高效的水力模型設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)。由于國外對于先進(jìn)的核主泵的研究技術(shù)是嚴(yán)格保密的，因此，自主研發(fā)高效的安全的混流式核主泵，有利于趕超其他國家在核主泵的相關(guān)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，同時有利于達(dá)到國家節(jié)能減排的目標(biāo)。

4　可達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益

核能作為一種清潔的能源，有助于改進(jìn)以火電為主的結(jié)構(gòu)失衡問題，同時由于核電自身高效節(jié)能的特點，已經(jīng)成為各國發(fā)展的必然選擇。在2012年通過的《中國核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2011-2020年)》中明確提出核電發(fā)展路線和核主泵國產(chǎn)化的要求。而核主泵是核電站中控制水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，也是主要的耗能設(shè)備，如果核電站中的核主泵運行故障，將直接導(dǎo)致核反應(yīng)堆停堆，甚至造成嚴(yán)重的核安全事故，因此要求核主泵長期安全運行。如果一臺核主泵的單機功率為140萬kW，額定功率為7.7 MW，若功率提高1%，一年之內(nèi)將會節(jié)電67萬kW·h。因此通過對核主泵內(nèi)部流動的研究，來進(jìn)一步發(fā)展核能這種清潔的能源，從而提高核主泵的能量性能，對于國民經(jīng)濟(jì)以及節(jié)能減排都有著極為重要的意義。

5　結(jié)語

混流式核主泵在核電站中有著十分重要的地位，因此提高其水力性能、能量性能是十分有意義的，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以知道，利用數(shù)值模擬和分析的方法來研究內(nèi)部流動情況是一種十分有效的手段，但是對內(nèi)部流場觀測和分析內(nèi)流特性的研究很少，因此，利用高效的水力模型，通過核主泵內(nèi)部流動實驗來更好地對核主泵的性能進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化是十分有意義的。

[1]In Soo Koo,Whan Woo Kim.Thedevelopmentofreactor Coolantpump Vibration Monitoringanda Diagnostic Systeminthe Nuelear Power Plant[J].Instrumentation,SystemandAutomationTransactions,2000：309～316.

[2]Knierim C,Baumgarten S,Fritz J,et al.Design process for an advanced reactor coolant pump for 1400MW nuclear power plant[J].Proceedings of ASME FEDSM2005,2005:19～23.

[3] Jafarzadeh,B.The Flow Simulation of a Low Specific Speed High Speed Centrifugal Pump[J].Elsevier Applied Mathematical Modelling,2010:242～249.

[4]Saha S L,Kurokawa J,Matsui J.Suppression of Performance Curve Instability of a Mixed Flow Pump by Use of J-groove[J].JournalofFluidsEngineering,2000(122):592～597.

[5] Muggli F A,P.Holbein P,Dupont P.CFD calculation of a mixed flow pump characteristic from shut off to maximum flow[J].Journal of Fluids Engineering,2002(124):798～802

[6]Sekino Y,Tanabe Y.Numerical analysis of design and off-design performance of high specific speed mixed flow pumps[J].Proceedings of AJK-FEDSM2011,2011.

[7]Zangeneh M,Goto A,Takemura T.Suppression of Secondary Flowsina Mixed Flow Pump Impeller by Application of Three-Dimensional Inverse Design Method:Part1-Design and Numerical Validation [J].ASNE Journal of Turbomachinery,1996(118):536-543.

[8]Goto A,Nohmi M,Sakurai T,et al.Hydrodynamic design system for pumps based on 3-D CAD,CFD,and inverse design method[J].ASME Journal of Fluids Engineering,2002(124):329-335.

[9]Poullikkas A.Effects of two-phase liquid-gas flow on the performance of nuclear reactor colling pumps[J].Progress in Nuclear Energy,2003(42):3～10.

[10]單玉嬌.基于CFD的1000MW級核主泵水力模型?；嬎惴椒ㄑ绣砙D].大連:大連理工大學(xué),2010.

[11]王春林,彭娜.核主泵模型泵導(dǎo)葉進(jìn)口邊相對位置對泵性能的影響[J].排灌機械工程學(xué)報，2008,26(5)：38～41.

[12]李穎,周文霞,張繼革,等.核反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)泵全流道三維數(shù)值模擬及性能預(yù)估[J].原子能科學(xué)技術(shù),2009，10(43)：888～902.

[13]秦杰，徐士鳴.導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)對核主泵性能的影響[J].發(fā)電設(shè)備，2010(5).

[14]張棟俊，徐士鳴.類球形壓水室出流管形狀對核主泵性能的影響[J].水泵技術(shù)，2010(1)：21～30.

[15]謝蓉，單玉姣，王曉放.混流泵葉輪流動性能數(shù)值模擬和葉型優(yōu)化設(shè)計[J].排灌機械工程學(xué)報,2010，4(28)：295～299.

[16]楊敏官，王達(dá)，高波，等.混流式核主泵導(dǎo)葉-殼體匹配水力特性[J].排灌機械工程學(xué)報 , 2016，2(34)：110～114.

[17]楊敏官，陸勝，高波，等.葉片厚度對混流式核主泵葉輪能量性能影響研究[J].流體機械,2015，5(43)：28～32.

[18]楊敏官，倪丹， 陸勝，等. 徑向?qū)~對混流式核主泵水力性能的影響[J].工程熱物理學(xué)報,2016，1(37)：76～80.

[19]黎義斌，李仁年，王秀勇，等.核主泵內(nèi)部流動干涉的瞬態(tài)效應(yīng)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2015，4(35)：922～928.

[20]李靖，王曉放，周方明.非均布導(dǎo)葉對核主泵模型泵性能及壓力脈動的影響[J].流體機械,2014，9(42)：19～24.

2016-05-23

張亞玲(1994—)，女，江蘇大學(xué)學(xué)生。

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1674-9944(2016)14-0268-02