王 巍， 王 亞 云， 盧 盛 鵬， 侯 騰 飛， 羿 琦， 王 曉 放

( 大連理工大學(xué) 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

入口非均勻流對(duì)核主泵性能影響研究

王 巍*， 王 亞 云， 盧 盛 鵬， 侯 騰 飛， 羿 琦， 王 曉 放

( 大連理工大學(xué) 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024 )

CAP1400反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)中蒸汽發(fā)生器下封頭和核主泵直接連接，使蒸汽發(fā)生器下封頭出口接管的流場變得不均勻．為探究非均勻入流條件對(duì)核主泵性能的影響，對(duì)核主泵葉輪和蒸汽發(fā)生器下封頭進(jìn)行聯(lián)合簡化建模，采用CFD方法數(shù)值計(jì)算泵的能量、水動(dòng)力以及空化性能，并與均勻入流下的仿真結(jié)果進(jìn)行比較．計(jì)算結(jié)果表明：在0.7Q0～1.2Q0工況范圍內(nèi)，進(jìn)口的不均勻流動(dòng)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程下降1.8%～5.1%，葉輪扭矩下降1.9%～6.4%，而效率沒有發(fā)生明顯的變化；非均勻入流下?lián)P程的降低使葉輪所受軸向力有所減小，但徑向力顯著增大．空化發(fā)生時(shí)，泵的臨界空化余量增大，抗空化性能降低，空化區(qū)域出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱．

核主泵；非均勻入流；能量特性；徑向力；空化性能

0 引 言

核電廠冷卻劑回路循環(huán)泵是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主回路中唯一高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，稱為反應(yīng)堆冷卻劑泵，是確保核電站安全和可靠運(yùn)行的最關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備．我國自主設(shè)計(jì)研發(fā)的CAP1400第三代核電機(jī)組，在壓水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)中沿用了西屋公司AP1000的“非能動(dòng)”理念，將蒸汽發(fā)生器和主泵直接連接，取消了之間的過渡段，簡化了系統(tǒng)，降低了堆芯裸露的可能，但導(dǎo)致蒸汽發(fā)生器下腔室和主泵入口段的流場變得非常復(fù)雜，主泵的進(jìn)流不再符合均勻入流條件，對(duì)主泵的長期穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的影響[1]．

核主泵的設(shè)計(jì)以及安全可靠性評(píng)估一般假設(shè)入流條件為均勻來流[2-3]，非均勻入流條件對(duì)主泵運(yùn)行性能的影響需要進(jìn)一步研究．在實(shí)際工程應(yīng)用中，各種類型的泵都可能存在非均勻的入口速度分布，該速度分布會(huì)對(duì)泵的性能產(chǎn)生一定程度的影響，這方面已經(jīng)有較多的相關(guān)研究．Bulten等[4]對(duì)噴水推進(jìn)泵進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)不均勻的入流速度分布給葉輪帶來了附加的定常徑向力，且該力的數(shù)值與進(jìn)流的不均勻度和通過泵的流量有關(guān)．施衛(wèi)東等[5]通過數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了不同入口速度分布對(duì)軸流泵外特性、徑向荷載以及典型位置壓力脈動(dòng)的影響，認(rèn)為不同的入流條件對(duì)軸流泵的揚(yáng)程、效率、徑向力以及壓力脈動(dòng)特性具有不同程度的影響．Van Esch[6]對(duì)混流泵在非均勻入流條件下的水力性能和葉輪荷載進(jìn)行了試驗(yàn)研究，觀察到非均勻入流下混流泵的揚(yáng)程、扭矩有所降低，但水力效率沒有發(fā)生明顯降低，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上承受的定常徑向力顯著增加．夏栓等[7]采用PumpLinx對(duì)AP1000反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器冷側(cè)下腔室和主泵進(jìn)行了耦合分析，得到耦合部分的流場情況以及設(shè)計(jì)工況下主泵的壓力和速度分布云圖．侯向陶[8]將蒸汽發(fā)生器下封頭和核主泵統(tǒng)一建模，采用CFD方法對(duì)其耦合模型進(jìn)行全三維流場計(jì)算，得到了下封頭對(duì)核主泵入口流場不均勻度的影響，分別分析了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)情況下非均勻入流對(duì)主泵水力及水動(dòng)力性能的影響，并在核主泵入口管加裝錐形擋板以改善主泵的入流條件，但沒有對(duì)核主泵空化性能加以考慮．Fujii等[9]對(duì)四葉片誘導(dǎo)輪在有無進(jìn)口畸變工況下的空化性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為進(jìn)口畸變使誘導(dǎo)輪發(fā)生空化失速的空化數(shù)范圍趨向更低，而兩種工況的壓力脈動(dòng)幅值則比較接近．因此有必要對(duì)蒸汽發(fā)生器下封頭對(duì)主泵性能的影響進(jìn)行更加全面的評(píng)估．

本文主要進(jìn)行非均勻入流條件對(duì)核主泵水力、水動(dòng)力性能以及空化性能影響的研究．考慮到建立蒸汽發(fā)生器下封頭、核主泵聯(lián)合三維模型的難度，本文將簡化的蒸汽發(fā)生器下封頭與課題組自主設(shè)計(jì)的核主泵葉輪縮尺模型進(jìn)行耦合，模擬穩(wěn)態(tài)情況下非均勻入流條件對(duì)主泵運(yùn)行性能的影響．

1 物理模型和數(shù)值方法

1.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

幾何模型包括核主泵入口管、葉輪和蒸汽發(fā)生器下封頭．核主泵1∶2.5縮尺模型設(shè)計(jì)參數(shù)為：流量Q=1 385 m3/h，揚(yáng)程H=17.5 m，轉(zhuǎn)速n=1 485 r/min．為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性，在葉輪出口加了延長段，采用ANSYS-TurboGrid六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)主泵葉輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分．經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，認(rèn)為揚(yáng)程變動(dòng)范圍在1%以內(nèi)，達(dá)到要求，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1.1×106．本文對(duì)蒸汽發(fā)生器下封頭做了如下簡化：由于蒸汽發(fā)生器下封頭冷管側(cè)對(duì)稱連接兩臺(tái)核主泵[10]，采用下封頭1/4模型和單臺(tái)核主泵聯(lián)合計(jì)算．不考慮U形管對(duì)流速的影響，下封頭和入口管都采用四面體網(wǎng)格．幾何模型裝配圖如圖1所示．

圖1 非均勻入流下核主泵幾何模型

1.2 數(shù)值模擬方法

以ANSYS CFX作為求解器，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[11]進(jìn)行湍流計(jì)算，入口設(shè)置為流量入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件．設(shè)置模型的對(duì)稱面為對(duì)稱性邊界條件，其他壁面設(shè)置為無滑移條件．葉輪與入口管流體域間、葉輪與出口延長段間的動(dòng)靜耦合通過設(shè)置Frozen Rotor交界面實(shí)現(xiàn)．

研究空化性能時(shí)，采用Zwart-Gerber-Belamri 空化模型，該模型以均質(zhì)多相模型和Rayleigh-Plesset方程考慮空泡的生長和潰滅，進(jìn)而模擬空化流動(dòng)，其液相蒸發(fā)速率和氣相凝結(jié)速率表達(dá)式為

(1)

式中：Fe為液相的蒸發(fā)速率，F(xiàn)c為氣相的凝結(jié)速率，α表示體積分?jǐn)?shù)，ρ表示密度，其中下角標(biāo)v表示氣相，下角標(biāo)l表示液相．計(jì)算環(huán)境溫度為25 ℃，設(shè)介質(zhì)的飽和蒸汽壓力pv為3 169.75 Pa；空化核體積分?jǐn)?shù)αnuc取5.0×10-4；空泡的平均直徑RB取2×10-6m；Fvap和Fcond分別為蒸發(fā)系數(shù)和凝結(jié)系數(shù)，分別取50和0.01．泵內(nèi)部空化的產(chǎn)生通過逐步降低泵出口的靜壓實(shí)現(xiàn)．

2 計(jì)算結(jié)果和討論

2.1 葉輪外特性的驗(yàn)證

對(duì)核主泵葉輪模型0.7Q0～1.2Q0時(shí)7個(gè)工況點(diǎn)下的流場進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測模型泵的外特性，與相同條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性．模型泵葉輪在不同工況下外特性的預(yù)測值與試驗(yàn)值的對(duì)比如圖2所示．

由圖2可以看出，數(shù)值計(jì)算預(yù)測的揚(yáng)程和效率隨流量的變化趨勢與試驗(yàn)相同，可以一定程度上反映泵的特性，存在的誤差在可以接受的范圍內(nèi)．水力效率的預(yù)測值與試驗(yàn)值相比偏高，這主要是導(dǎo)葉和蝸殼內(nèi)的流動(dòng)造成了較大的流動(dòng)損失，同時(shí)，數(shù)值計(jì)算中沒有考慮過流部件表面粗糙度的影響．

圖2 核主泵外特性計(jì)算與試驗(yàn)值對(duì)比

Fig.2 Comparison of computational and experimental results of external performance of reactor coolant pump

2.2 非均勻入流對(duì)核主泵能量特性的影響

圖3為核主泵入口管截面A在非均勻入流和均勻入流下的壓力分布和流線圖．在蒸汽發(fā)生器下封頭的影響下，核主泵入口管形成了兩個(gè)回旋方向相反的漩渦．而不考慮蒸汽發(fā)生器下封頭時(shí)，入口截面壓力分布周向?qū)ΨQ，流體無橫向流動(dòng)．為了定量描述非均勻入流特征，用入口管截面A處速度標(biāo)準(zhǔn)差與平均速度的比值表征入流的不均勻度，記為ζ．

(a) 非均勻入流 (b) 均勻入流

不均勻度可表示為

(2)

圖4 入流不均勻度隨流量變化曲線

圖5為核主泵在非均勻和均勻兩種入流條件下?lián)P程和效率隨流量變化曲線．圖6為兩種入流條件下的葉輪所受扭矩隨流量變化曲線．從圖5可以得到：非均勻入流條件下，核主泵的揚(yáng)程出現(xiàn)明顯的下降，0.72Q0工況揚(yáng)程下降1.8%，1.15Q0工況揚(yáng)程下降5.1%，且下降率隨流量的增大而增大，而兩種入流條件下的效率沒有明顯的變化．均勻入流下，設(shè)計(jì)工況泵內(nèi)液體的流動(dòng)情況與過流部件的幾何形狀相符合，沖擊損失很小，非均勻入流導(dǎo)致葉片進(jìn)口處相對(duì)速度的大小和方向都發(fā)生變化，在葉片進(jìn)口處產(chǎn)生較大的沖擊損失，使同一流量下泵的揚(yáng)程降低．從圖6可以看出，核主泵葉輪所受扭矩隨流量變化曲線為較平滑有極值的曲線，非均勻入流下葉輪扭矩下降，葉輪對(duì)液體的做功能力減小．

圖5 不同入流下?lián)P程和效率隨流量變化曲線

圖6 不同入流下葉輪扭矩隨流量變化曲線

2.3 非均勻入流對(duì)核主泵水動(dòng)力性能的影響

泵內(nèi)流動(dòng)的軸不對(duì)稱性導(dǎo)致徑向力的產(chǎn)生，該徑向力對(duì)軸承加載，并可能會(huì)導(dǎo)致軸承過早磨損甚至疲勞失效．將葉輪看作一個(gè)控制體，則引起徑向力主要有3個(gè)要素[12]：(1)葉輪出口壓力的周向變化；(2)葉輪蓋板和泵體之間從葉輪出口到葉輪進(jìn)口之間的泄漏流動(dòng)，蓋板-泵體間隙內(nèi)壓力的周向不均勻?qū)е氯~輪蓋板的外部形成徑向力；(3)葉輪出流流量的周向不均勻性引起的出流動(dòng)量不均勻．本文只考慮(1)、(3)兩項(xiàng)，由于存在非均勻入流條件，同時(shí)考慮進(jìn)口流動(dòng)的周向不均勻性對(duì)徑向力產(chǎn)生的影響．葉輪軸向力主要由下列分力組成：(1)葉輪前后蓋板不對(duì)稱產(chǎn)生的軸向力；(2)液流通過葉輪方向發(fā)生變化產(chǎn)生的動(dòng)反力；(3)葉輪前后蓋板泵腔內(nèi)的徑向流的影響．在進(jìn)行力的計(jì)算時(shí)，取葉輪為控制體，在CFD-post中提取葉輪進(jìn)口面和出口面x、y向的力進(jìn)行合成得到徑向力，對(duì)z向的力合成得到軸向力，不考慮彎矩的影響．

圖7為均勻和非均勻兩種入流條件下葉輪軸向力和徑向力隨流量變化曲線．從圖可以得到結(jié)論：(1)均勻入流條件下葉輪承受的徑向力數(shù)值在零附近波動(dòng)，這是由于計(jì)算模型僅考慮了葉輪，沒有考慮導(dǎo)葉和壓水室的影響，通過葉輪的流體的流動(dòng)是軸對(duì)稱的，幾乎不會(huì)產(chǎn)生徑向力，符合理論實(shí)際．葉輪軸向力隨流量的增加而減小，這是流量增加轉(zhuǎn)速不變，葉輪出口和進(jìn)口的壓差減小以及液體沖力減小造成的．(2)進(jìn)口條件非均勻時(shí)，葉輪受到的軸向力有所減小，這是非均勻入流下?lián)P程下降，前后蓋板上的壓力差減小造成的．但葉輪承受的徑向力比均勻入流下的值顯著增大，且徑向力隨流量的增大而增大，這說明非均勻入流使泵內(nèi)流動(dòng)的周向不均勻性增加．

圖7 不同入流下軸向力與徑向力隨流量變化曲線

2.4 非均勻入流對(duì)核主泵空化性能的影響

空化現(xiàn)象是泵內(nèi)常見的一種破壞現(xiàn)象，雖然在設(shè)計(jì)工況下核主泵不會(huì)發(fā)生空化，但是在一回路破口事故和熱阱喪失時(shí)，有可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象．所以有必要對(duì)非均勻入流條件對(duì)核主泵空化性能的影響進(jìn)行探究．

設(shè)計(jì)流量下，通過逐步降低出口壓力對(duì)核主泵的空化性能進(jìn)行模擬．圖8為均勻和非均勻兩種入流條件下泵揚(yáng)程-空化余量曲線．由圖8可知，均勻和非均勻兩種入流條件下泵的揚(yáng)程-空化余量曲線都表現(xiàn)出相同的變化趨勢，即隨著空化余量的減小，空化從發(fā)生、發(fā)展到逐漸嚴(yán)重，揚(yáng)程先保持不變，再出現(xiàn)拐點(diǎn)，然后急劇下降．揚(yáng)程下降3%所對(duì)應(yīng)的空化余量為臨界空化余量．均勻和非均勻入流條件下臨界空化余量分別為1.73、2.20 m，即不均勻的入流使臨界空化余量相對(duì)增大了27%，泵的抗空化性能降低，不利于泵的安全運(yùn)行．根據(jù)泵內(nèi)空化發(fā)展的程度從空化初生到逐漸嚴(yán)重，下面對(duì)泵出口壓力分別為0.23、0.21、0.19 MPa的葉輪內(nèi)部空化發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析，圖9為葉輪內(nèi)部氣泡體積分?jǐn)?shù)的分布圖，氣泡表面定義為氣泡體積分?jǐn)?shù)為10%的等值面．

如圖9所示，兩種入流條件下空化發(fā)展的過程具有相同之處：空化首先在葉片吸力面進(jìn)口邊靠近輪緣處發(fā)生，葉輪內(nèi)發(fā)生空化區(qū)域較小，對(duì)泵的性能影響甚微．隨著空化余量的降低，空化繼續(xù)發(fā)展，氣泡沿著葉片吸力面從葉輪進(jìn)口向出口發(fā)展，同時(shí)從靠近輪緣處向葉片中部發(fā)展，葉片壓力面進(jìn)口邊也開始出現(xiàn)氣泡．空化程度繼續(xù)加劇，葉片吸力面堆積的氣泡和壓力面的氣泡相連，堵塞流道．不同的是，均勻入流條件下每一流道空化發(fā)展程度基本相同，空化區(qū)域周向?qū)ΨQ分布，非均勻入流導(dǎo)致空化區(qū)域出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，每一葉片上空化程度不同，氣泡體的形狀、位置也不同．空化區(qū)域的不對(duì)稱使泵的空化性能惡化，使泵在空化狀態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲增大．

圖8 不同入流下空化性能曲線

圖9 不同入流下葉輪內(nèi)氣泡體積分?jǐn)?shù)等值面

3 結(jié) 語

蒸汽發(fā)生器下封頭與核主泵直接連接的特殊結(jié)構(gòu)使核主泵產(chǎn)生了非均勻的入流條件，該條件對(duì)泵的能量、水動(dòng)力以及空化性能具有一定的影響．與均勻入流條件相比，非均勻入流條件下：

(1)泵的揚(yáng)程下降了1.8%～5.1%，葉輪扭矩下降了1.9%～6.4%，下降率都表現(xiàn)為隨流量的增大而增大的趨勢．水力效率不發(fā)生明顯變化．

(2)非均勻入流導(dǎo)致的揚(yáng)程下降使葉輪承受的軸向力有所減小，但由于泵內(nèi)流動(dòng)周向不均勻性加劇，徑向力顯著增大．

(3)泵的臨界空化余量增大，且葉輪內(nèi)的空化區(qū)域出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱，泵的抗空化性能降低，不利于其安全可靠運(yùn)行．

致謝：

本文研究工作的開展也得益于遼寧重大裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心的大力支持，在此表示衷心感謝．

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Researchoneffectsofnon-uniformsuctionflowonperformanceinreactorcoolantpump

WANG Wei*, WANG Yayun, LU Shengpeng, HOU Tengfei, YI Qi, WANG Xiaofang

( Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Reactor coolant pump (RCP) of CAP1400 reactor coolant system is designed welded directly to the steam generator (SG) channel head, which makes the flow field in the SG channel head outlet nozzle non-uniform. To study the influence of inflow distortion on RCP performances, comparisons of energy, hydrodynamics and cavitation characteristics between non-uniform and uniform inflow conditions are carried out by CFD method through modelling integrally the channel head of SG and RCP impellers. Calculation results show that at 0.7Q0-1.2Q0the inflow distortion reduces pump head and impeller torque by 1.8%-5.1% and 1.9%-6.4% respectively, and efficiency is not affected. With the decrease of head, axial loading drops slightly whereas radial loading increases significantly under non-uniform suction flow. As cavitation occurs, the critical NPSH of the pump increases, anti-cavitation performance is reduced and cavitation area appears obvious asymmetric.

reactor coolant pump;non-uniform suction flow; energy characteristic; radial loading; cavitation characteristic

2016-12-10；

2017-07-20．

“九七三”國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015CB057301).

王 巍*(1967-)，女，副教授，E-mail:wangw@dlut.edu.cn.

1000-8608(2017)05-0453-06

TH313

A

10.7511/dllgxb201705003