入口非均勻流對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 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

入口非均勻流對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 海洋能源利用與節(jié)能教育部重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

CAP1400反應堆冷卻劑系統(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核主泵性能的影響，對核主泵葉輪和蒸汽發(fā)生器下封頭進行聯(lián)合簡化建模，采用CFD方法數(shù)值計算泵的能量、水動力以及空化性能，并與均勻入流下的仿真結果進行比較．計算結果表明：在0.7Q0～1.2Q0工況范圍內，進口的不均勻流動導致泵的揚程下降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，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)泵是核蒸汽供應系統(tǒng)主回路中唯一高速旋轉設備，稱為反應堆冷卻劑泵，是確保核電站安全和可靠運行的最關鍵動力設備．我國自主設計研發(fā)的CAP1400第三代核電機組，在壓水反應堆設計中沿用了西屋公司AP1000的“非能動”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，但導致蒸汽發(fā)生器下腔室和主泵入口段的流場變得非常復雜，主泵的進流不再符合均勻入流條件，對主泵的長期穩(wěn)定運行帶來一定的影響[1]．

核主泵的設計以及安全可靠性評估一般假設入流條件為均勻來流[2-3]，非均勻入流條件對主泵運行性能的影響需要進一步研究．在實際工程應用中，各種類型的泵都可能存在非均勻的入口速度分布，該速度分布會對泵的性能產(chǎn)生一定程度的影響，這方面已經(jīng)有較多的相關研究．Bulten等[4]對噴水推進泵進行了非穩(wěn)態(tài)計算分析，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)值與進流的不均勻度和通過泵的流量有關．施衛(wèi)東等[5]通過數(shù)值計算，對比分析了不同入口速度分布對軸流泵外特性、徑向荷載以及典型位置壓力脈動的影響，認為不同的入流條件對軸流泵的揚程、效率、徑向力以及壓力脈動特性具有不同程度的影響．Van Esch[6]對混流泵在非均勻入流條件下的水力性能和葉輪荷載進行了試驗研究，觀察到非均勻入流下混流泵的揚程、扭矩有所降低，但水力效率沒有發(fā)生明顯降低，轉子系統(tǒng)上承受的定常徑向力顯著增加．夏栓等[7]采用PumpLinx對AP1000反應堆冷卻劑系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器冷側下腔室和主泵進行了耦合分析，得到耦合部分的流場情況以及設計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方法對其耦合模型進行全三維流場計算，得到了下封頭對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主泵水力及水動力性能的影響，并在核主泵入口管加裝錐形擋板以改善主泵的入流條件，但沒有對核主泵空化性能加以考慮．Fujii等[9]對四葉片誘導輪在有無進口畸變工況下的空化性能進行了試驗研究，認為進口畸變使誘導輪發(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幅值則比較接近．因此有必要對蒸汽發(fā)生器下封頭對主泵性能的影響進行更加全面的評估．

本文主要進行非均勻入流條件對核主泵水力、水動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計的核主泵葉輪縮尺模型進行耦合，模擬穩(wěn)態(tài)情況下非均勻入流條件對主泵運行性能的影響．

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縮尺模型設計參數(shù)為：流量Q=1 385 m3/h，揚程H=17.5 m，轉速n=1 485 r/min．為保證計算結果的收斂性，在葉輪出口加了延長段，采用ANSYS-TurboGrid六面體結構化網(wǎng)格對主泵葉輪進行網(wǎng)格劃分．經(jīng)過網(wǎng)格無關性驗證，認為揚程變動范圍在1%以內，達到要求，最終確定網(wǎng)格總數(shù)為1.1×106．本文對蒸汽發(fā)生器下封頭做了如下簡化：由于蒸汽發(fā)生器下封頭冷管側對稱連接兩臺核主泵[10]，采用下封頭1/4模型和單臺核主泵聯(lián)合計算．不考慮U形管對流速的影響，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，選取標準k-ε湍流模型[11]進行湍流計算，入口設置為流量入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件．設置模型的對稱面為對稱性邊界條件，其他壁面設置為無滑移條件．葉輪與入口管流體域間、葉輪與出口延長段間的動靜耦合通過設置Frozen Rotor交界面實現(xiàn)．

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

(1)

式中：Fe為液相的蒸發(fā)速率，F(xiàn)c為氣相的凝結速率，α表示體積分數(shù)，ρ表示密度，其中下角標v表示氣相，下角標l表示液相．計算環(huán)境溫度為25 ℃，設介質的飽和蒸汽壓力pv為3 169.75 Pa；空化核體積分數(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)和凝結系數(shù)，分別取50和0.01．泵內部空化的產(chǎn)生通過逐步降低泵出口的靜壓實現(xiàn)．

2 計算結果和討論

2.1 葉輪外特性的驗證

對核主泵葉輪模型0.7Q0～1.2Q0時7個工況點下的流場進行模擬，根據(jù)計算結果預測模型泵的外特性，與相同條件下的試驗結果進行對比，以驗證數(shù)值計算方法的可行性．模型泵葉輪在不同工況下外特性的預測值與試驗值的對比如圖2所示．

由圖2可以看出，數(shù)值計算預測的揚程和效率隨流量的變化趨勢與試驗相同，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．水力效率的預測值與試驗值相比偏高，這主要是導葉和蝸殼內的流動造成了較大的流動損失，同時，數(shù)值計算中沒有考慮過流部件表面粗糙度的影響．

圖2 核主泵外特性計算與試驗值對比

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

2.2 非均勻入流對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回旋方向相反的漩渦．而不考慮蒸汽發(fā)生器下封頭時，入口截面壓力分布周向對稱，流體無橫向流動．為了定量描述非均勻入流特征，用入口管截面A處速度標準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，核主泵的揚程出現(xiàn)明顯的下降，0.72Q0工況揚程下降1.8%，1.15Q0工況揚程下降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，設計工況泵內液體的流動情況與過流部件的幾何形狀相符合，沖擊損失很小，非均勻入流導致葉片進口處相對速度的大小和方向都發(fā)生變化，在葉片進口處產(chǎn)生較大的沖擊損失，使同一流量下泵的揚程降低．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 非均勻入流對核主泵水動力性能的影響

泵內流動的軸不對稱性導致徑向力的產(chǎn)生，該徑向力對軸承加載，并可能會導致軸承過早磨損甚至疲勞失效．將葉輪看作一個控制體，則引起徑向力主要有3個要素[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口之間的泄漏流動，蓋板-泵體間隙內壓力的周向不均勻導致葉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量不均勻．本文只考慮(1)、(3)兩項，由于存在非均勻入流條件，同時考慮進口流動的周向不均勻性對徑向力產(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)生的動反力；(3)葉輪前后蓋板泵腔內的徑向流的影響．在進行力的計算時，取葉輪為控制體，在CFD-post中提取葉輪進口面和出口面x、y向的力進行合成得到徑向力，對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，這是由于計算模型僅考慮了葉輪，沒有考慮導葉和壓水室的影響，通過葉輪的流體的流動是軸對稱的，幾乎不會產(chǎn)生徑向力，符合理論實際．葉輪軸向力隨流量的增加而減小，這是流量增加轉速不變，葉輪出口和進口的壓差減小以及液體沖力減小造成的．(2)進口條件非均勻時，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流動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 非均勻入流對核主泵空化性能的影響

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

設計流量下，通過逐步降低出口壓力對核主泵的空化性能進行模擬．圖8為均勻和非均勻兩種入流條件下泵揚程-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)展到逐漸嚴重，揚程先保持不變，再出現(xiàn)拐點，然后急劇下降．揚程下降3%所對應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增大了27%，泵的抗空化性能降低，不利于泵的安全運行．根據(jù)泵內空化發(fā)展的程度從空化初生到逐漸嚴重，下面對泵出口壓力分別為0.23、0.21、0.19 MPa的葉輪內部空化發(fā)展進行對比分析，圖9為葉輪內部氣泡體積分數(shù)的分布圖，氣泡表面定義為氣泡體積分數(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口邊靠近輪緣處發(fā)生，葉輪內發(fā)生空化區(qū)域較小，對泵的性能影響甚微．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口向出口發(fā)展，同時從靠近輪緣處向葉片中部發(fā)展，葉片壓力面進口邊也開始出現(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)域周向對稱分布，非均勻入流導致空化區(qū)域出現(xiàn)明顯的不對稱，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)域的不對稱使泵的空化性能惡化，使泵在空化狀態(tài)運行時產(chǎn)生的振動和噪聲增大．

圖8 不同入流下空化性能曲線

圖9 不同入流下葉輪內氣泡體積分數(shù)等值面

3 結 語

蒸汽發(fā)生器下封頭與核主泵直接連接的特殊結構使核主泵產(chǎn)生了非均勻的入流條件，該條件對泵的能量、水動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)非均勻入流導致的揚程下降使葉輪承受的軸向力有所減小，但由于泵內流動周向不均勻性加劇，徑向力顯著增大．

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

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．

[1] 黃 偉,張文其,陶文銓,等. 蒸汽發(fā)生器下封頭/主泵連接處流動特性試驗研究[J]. 核動力工程, 2002,23(s1):38-42.

HUANG Wei, ZHANG Wenqi, TAO Wenquan,etal. Flow characteristics experimental study within connection between steam generator channel head and pump suction [J].NuclearPowerEngineering, 2002,23(s1):38-42. (in Chinese)

[2] 鄒志超. 核主泵水力部件初步設計及惰轉特性研究[D]. 杭州:浙江大學, 2013.

ZOU Zhichao. Preliminary hydraulic design of reactor coolant pump and power-off transient rotation characteristics research [D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013. (in Chinese)

[3] XIE Rong, QI Heng, SHEN Fei. Modelling design and blade profile optimization for a mixed-flow pump impeller [J].EnergyEducationScienceandTechnologyPartA:EnergyScienceandResearch, 2014,32(2):1099-1106.

[4] BULTEN N H, VAN ESCH B P M. Fully transient CFD analyses of waterjet pumps [J].MarineTechnology, 2007,44(3):185-193.

[5] 施衛(wèi)東,張光建,張德勝,等. 入口非均勻流對軸流泵性能和壓力脈動的影響[J]. 排灌機械工程學報, 2014,32(4):277-282.

SHI Weidong, ZHANG Guangjian, ZHANG Desheng,etal. Effects of non-uniform suction flow on performance and pressure fluctuation in axial-flow pumps [J].JournalofDrainageandIrrigationMachineryEngineering, 2014,32(4):277-282. (in Chinese)

[6] VAN ESCH B P M. Performance and radial loading of a mixed-flow pump under non-uniform suction flow [J].JournalofFluidsEngineering, 2009,131(5):051101.

[7] 夏 栓,馮 斌,張海軍. AP1000核島主泵流場數(shù)值模擬[J]. 核技術, 2013,36(4):040620.

XIA Shuan, FENG Bin, ZHANG Haijun. Simulation of AP1000 reactor coolant pump flow field CFD [J].NuclearTechniques, 2013,36(4):040620. (in Chinese)

[8] 侯向陶. 蒸汽發(fā)生器下封頭對核主泵性能影響研究[D]. 杭州:浙江大學, 2016.

HOU Xiangtao. Study of steam generator channel head on the performance of reactor coolant pumps [D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2016. (in Chinese)

[9] FUJII A, AZUMA S, YOSHIDA Y,etal. Unsteady stress of 4-bladed inducer blades and the effect of inlet flow distortion [J].JSMEInternationalJournal,SeriesB:FluidsandThermalEngineering, 2002,45(1):47-54.

[10] SCHULZ T L. Westinghouse AP1000 advanced passive plant [J].NuclearEngineeringandDesign, 2006,236(14/15/16):1547-1557.

[11] JONES W P, LAUNDER B E. Prediction of laminarization with a 2-equation model of turbulence [J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer, 1972,15(2):301.

[12] BRENNEN C E.HydrodynamicsofPumps[M]. Oxford: Oxford University Press, 1994.

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”國家重點研究發(fā)展計劃資助項目(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