楊雁宇，王銘昌，祖 帥，何升亮，費(fèi)鑫鑫，車銀輝

（陽(yáng)江核電有限公司，廣東陽(yáng)江 529500）

0 引言

上充泵是核電廠最關(guān)鍵的動(dòng)力設(shè)備之一，擔(dān)任向主泵軸封供水、化容系統(tǒng)容積控制的補(bǔ)水、高壓安注系統(tǒng)故障時(shí)的供水等重要任務(wù)[1]。上充泵在接到啟動(dòng)信號(hào)后，需立即投入運(yùn)行，其軸承需要具備不預(yù)潤(rùn)滑啟動(dòng)的功能[2]。

某1000 MW 壓水堆核電廠選用法國(guó)幾納公司生產(chǎn)的上充泵，為臥式雙殼體12 級(jí)離心泵，半抽芯結(jié)構(gòu)，主要由葉輪、導(dǎo)葉、泵軸、機(jī)械密封、滑動(dòng)推力軸承、2 道水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承、泵蓋等部件組成，也稱為一端封閉型上充泵（圖1）。上充泵1～4 級(jí)葉輪朝吸入口正向布置，5～12 級(jí)葉輪反向布置，正向布置葉輪軸向力同封閉端高壓水作用力之和，與反向葉輪軸向力相平衡，殘余軸向力由推力軸承承受[3-4]。葉輪卡環(huán)為分半式，配對(duì)安裝在泵軸相應(yīng)的卡環(huán)槽內(nèi)，與相應(yīng)的葉輪起定位和固定的作用。

圖1 一端封閉型上充泵結(jié)構(gòu)示意

上充泵首級(jí)葉輪卡環(huán)斷裂，會(huì)導(dǎo)致葉輪失去支撐，進(jìn)而造成設(shè)備損壞。針對(duì)上充泵葉輪卡環(huán)斷裂的影響因素開(kāi)展分析研究，研究結(jié)果對(duì)提升上充泵可靠性具有重要意義。

1 首級(jí)葉輪卡環(huán)斷裂分析

上充泵首級(jí)葉輪卡環(huán)安裝位置如圖2所示。斷裂卡環(huán)驅(qū)動(dòng)側(cè)宏觀形貌如圖3 所示，其表面存在圓周方向的磨損凹陷痕跡?？ōh(huán)斷口可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展痕跡，為典型的疲勞斷口，根據(jù)收斂方向，源區(qū)位于軸肩側(cè)接觸磨損面。

圖2 首級(jí)葉輪卡環(huán)安裝位置

圖3 首級(jí)葉輪卡環(huán)斷裂形貌（驅(qū)動(dòng)側(cè)）

從首級(jí)葉輪卡環(huán)材料成分、表面硬度、設(shè)計(jì)強(qiáng)度、運(yùn)行環(huán)境以及首級(jí)葉輪制造工藝等方面開(kāi)展分析。檢修歷史數(shù)據(jù)表明，首級(jí)葉輪輪轂內(nèi)和軸表面均存在微動(dòng)磨損現(xiàn)象，造成卡環(huán)斷裂應(yīng)與首級(jí)葉輪制造工藝偏差有關(guān)：葉輪水力中心存在制造偏差和葉輪表面粗糙度過(guò)大（圖4）。分析首級(jí)葉輪卡環(huán)斷裂過(guò)程為：在小流量工況下，首級(jí)葉輪流態(tài)不穩(wěn)定，易對(duì)在間隙裝配工藝的部件發(fā)生微動(dòng)磨損，疊加首輪葉輪存在制造偏差，會(huì)加重葉輪流場(chǎng)不穩(wěn)定性，加快卡環(huán)微動(dòng)磨損速率，從而引起卡環(huán)微動(dòng)疲勞損傷（圖5）。

圖4 首級(jí)葉輪表面加工形貌

圖5 首級(jí)葉輪卡環(huán)斷裂過(guò)程示意

2 葉輪內(nèi)部流態(tài)數(shù)值分析

葉輪加工偏差對(duì)于上充泵流動(dòng)性能的影響作用尚不清楚。借助大型數(shù)值模擬商業(yè)軟件[5-6]，以上充泵首級(jí)葉輪為研究對(duì)象，探討葉輪加工偏差對(duì)上充泵葉輪內(nèi)部流態(tài)性能的影響規(guī)律，對(duì)上充泵檢修維護(hù)及葉輪備件日常管理具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

2.1 粗糙度對(duì)葉輪內(nèi)部流態(tài)的影響

上充泵日常運(yùn)行性能參數(shù)為：流量Q=34 m3/h，揚(yáng)程H＝100 m，葉輪轉(zhuǎn)速n＝4480 r/min，葉輪葉片數(shù)Z=5，按照1:1 比例建立上充泵首級(jí)葉輪三維水力模型。應(yīng)用前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)為50 000。基于壓力求解器，使用SIMPLE 壓力-速度耦合法求解各個(gè)控制方程。湍流模型選擇Standard k-e model 模型。

2.1.1 粗糙度對(duì)應(yīng)揚(yáng)程的影響分析

表1 為粗糙度對(duì)上充泵首級(jí)葉輪揚(yáng)程的影響分析結(jié)果。隨著葉輪表面粗糙度的增加，首級(jí)葉輪的出口揚(yáng)程在減小，在絕對(duì)數(shù)值上粗糙度的增加對(duì)于葉輪出口揚(yáng)程的影響較小。

表1 不同粗糙度對(duì)揚(yáng)程影響的分析結(jié)果

2.1.2 粗糙度對(duì)應(yīng)葉輪空化的影響分析

圖6 為不同葉輪表面粗糙度的空泡云圖，可以看出：在小流量工況下，空泡聚集在葉片入口處，但粗糙度對(duì)于葉輪空化程度影響較小。

圖6 不同粗糙度對(duì)應(yīng)氣體體積分?jǐn)?shù)分布

2.1.3 粗糙度對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)的影響分析

圖7 為首級(jí)葉輪流道內(nèi)速度場(chǎng)分布，可以看出：流體速度分布沿葉輪徑向總體呈均勻增大趨勢(shì)，粗糙度對(duì)于葉輪流道速度分布影響較小。

圖7 不同粗糙度對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)分布

2.1.4 粗糙度對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能的影響分析

圖8 為葉輪流道內(nèi)湍動(dòng)能分布，沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向且靠近隔舌處的區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)能分布極不均勻，存在局部高湍動(dòng)能區(qū)。因此得出：粗糙度對(duì)于葉輪流道內(nèi)湍動(dòng)能分布影響較大。

2.2 水力中心偏差對(duì)葉輪內(nèi)部流態(tài)的影響

由于首級(jí)葉輪前后蓋板的加工偏差，會(huì)導(dǎo)致葉輪出口被遮擋，選擇首級(jí)葉輪水力中心被遮斷為1 mm 和3 mm 開(kāi)展流態(tài)性能影響分析。

2.2.1 水力中心偏差對(duì)揚(yáng)程的影響分析

表2 為水力中心偏差對(duì)上充泵首級(jí)葉輪揚(yáng)程的影響分析結(jié)果。隨著水力中心偏差增加，對(duì)葉輪出口揚(yáng)程和效率的影響較大。

表2 水力中心偏差對(duì)揚(yáng)程影響的分析結(jié)果

2.2.2 水力中心偏差對(duì)應(yīng)葉輪空化影響分析

圖9 為水力中心偏差下的空泡云圖，可以看出：在小流量工況下，粗糙度疊加水力中心偏差對(duì)于葉輪空化程度影響較小。

圖9 水力中心偏差對(duì)應(yīng)氣體體積分?jǐn)?shù)分布

2.2.3 水力中心偏差對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)影響分析

圖10 為水力中心偏差下的首級(jí)葉輪流道內(nèi)速度場(chǎng)分布，可以看出水力中心偏差增大會(huì)導(dǎo)致葉輪徑向出口速度分布不穩(wěn)定。

圖10 水力中心偏差對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)分布

2.2.4 水力中心偏差對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能影響分析

圖11 為水力中心偏差下葉輪流道內(nèi)湍動(dòng)能分布，可以看出：在小流量工況下，粗糙度疊加水力中心偏差，對(duì)于沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向且靠近隔舌處的區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)能影響較大。

圖11 水力中心偏差對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能分布

3 計(jì)算結(jié)果分析

在小流量工況下，上充泵首級(jí)葉輪流道進(jìn)口處會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，會(huì)引起首級(jí)葉輪發(fā)生微動(dòng)磨損。不同的葉輪表面粗糙度對(duì)泵空化、流速分布及湍動(dòng)能分布影響程度較小。但上充泵首級(jí)葉輪出口與導(dǎo)葉進(jìn)口的水力中心存在偏差時(shí)，疊加粗糙度增大，對(duì)于沿葉輪旋轉(zhuǎn)方向且靠近隔舌處的區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)能影響較大，會(huì)進(jìn)一步惡化首級(jí)葉輪微動(dòng)磨損程度。因此，對(duì)于上充泵首級(jí)葉輪表面粗糙度應(yīng)控制0.05 mm 以下，以及出口水力寬度偏差控制在1 mm 以內(nèi)，確保葉輪流道出口的湍動(dòng)能分布均勻性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)上充泵首級(jí)葉輪卡環(huán)多次發(fā)生斷裂現(xiàn)狀，分析影響葉輪卡環(huán)加速微動(dòng)疲勞斷裂的各種因素。通過(guò)建立上充泵首級(jí)葉輪水力模型，明確葉輪加工偏差對(duì)葉輪內(nèi)部流動(dòng)性能的影響規(guī)律，對(duì)于上充泵首級(jí)葉輪備件采購(gòu)和檢修維護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義。