混流式核主泵内部流动研究现状与趋势

2016-11-30张亚玲符玲莉

绿色科技 2016年14期

关键词：水力叶轮流场

张亚玲, 符玲莉, 李忠

(江苏大学，江苏镇江 212013)

混流式核主泵内部流动研究现状与趋势

张亚玲, 符玲莉, 李忠

(江苏大学，江苏镇江 212013)

指出了混流式核主泵在核岛中有着十分重要的地位，阐述了混流式核主泵内部流动的研究现状及混流式核主泵内部流动研究的发展趋势，进一步分析了混流式核主泵内部流动的发展前景以及可达到的经济效益。

混流式核主泵；内部流动；研究现状；发展趋势

1　引言

核反应堆冷却剂主循环泵简称核主泵，是核电站中唯一的旋转部件，同时它也是确保电站安全以及可靠运行的关键设备，因此被喻为核反应堆的“心脏”。但是它运行的同时会消耗大量的能源，而随着中国经济的高速发展，能源问题越来越突出，备受人们的关注，因此提高核主泵的水力性能和能量性能对提高国民经济和节能减排有着十分重要的意义。以混流式核主泵的水力模型作为研究的对象，通过混流式核主泵内部流动实验来揭示核主泵的内部流动规律，进而为核主泵的设计优化提供理论基础，是一种可行且可靠的方法。

2　国内外研究现状

根据国外有限的资料，利用反设计的方法参数化，从而定量分析不同的设计参数对泵的效率和吸入特性等性能的影响。韩国原子能技术研究院[1]通过混流泵实验和数值分析的方法，对非正常工况的核主泵进行了在线监测的研究，并且得到了新的监测与诊断的方法。Knierim等[2]利用FLUENT软件进行计算与分析，得到了流体能量损失主要因为流体在液管附近发生分离。M.Miyabe[3]通过PIV测量和非定常CFD计算研究了内部流动与性能不稳定的关系。Kurokawa[4]利用实验总结出通过J形槽来阻止叶轮进口回流，进而抑制泵性能不稳定性的方法。Muggli[5]等人通过CFD计算预测了高比转速混流泵的性能。 Sekino[6]等通过实验进行对比得到了SST湍流模型对泵流动特性与性能预测更准确。M.ZangenehA.Goto[7,8]等使用流动的可视化以及相位锁定测量的实验对叶轮内部流场进行了研究，得到了利用三维反设计方法能够抑制叶片吸力面的二次流，并且研发了一种泵设计系统来提高泵性能。Poullikkas等[9]人利用高速数码拍摄技术分析了气液两相流动的规律，并提出了一种改进模型用来计算泵的能量。

单玉娇等[10]用传统模型变换法结合CFD数值分析的方法设计出优良的AP1000水力模型。王春林等[11]利用数值模拟揭示了内流场的特性，得到内流场的静压分布具有非对称性，且不同的导叶形式对泵性能与内流场有影响。李颖、周文霞[12]通过CFD对核主泵进行了全流道数值模拟，得到了核主泵内部流场的变化情况，并对压力和速度的分布进行了分析。秦杰等[13]利用FLUENT软件以及数值模拟的方法分析了主泵内部流动的特征。大连理工大学徐士鸣、张栋俊[14]通过CFD技术以及FLUENT软件对不同形状的类球形压水室进行了数值模拟，得到了泵内总压、静压和速度矢量图，并且分析了核主泵内流场的特点。谢蓉等[15]利用三维湍流数值模拟，通过内部流动分析对叶轮叶型优化设计，提高了叶轮的水力效率。叶轮与导叶是影响泵水力性能的重要因素，杨敏官等[16～18]指出导叶与壳体分配对内部流动状态有着较大的影响，同时叶片厚度及其分布规律与导叶数与进口边位置对混流式核主泵的能量性能与水力性能有影响。黎义斌等得到导叶分布与相对位置会诱发静压脉动。李靖等得到主泵模型泵导叶采用非均布的形式可以提升模型泵的性能，同时降低泵的振动和噪声，防止造成动态损坏，提高核主泵的可靠性与安全性。

综上所述，对于混流式核主泵的研究多采用三元数值理论、计算机技术和数值计算等方法，同时利用FLUENT软件和CFD技术进行数值模拟进而分析混流式核主泵的内部流动特性，最终对主泵的水力性能和能量性能进行优化。但是由于实验成本的限制，对混流式核主泵内部流动的实验研究较少，分析核主泵内流特性的工作也不多。因此，通过实验手段对混流式核主泵内部流动进行研究是十分必要的。

3　发展趋势

虽然国内外学者提出了混流泵叶轮的水利设计方法，利用数值模拟的方法对内部流场的结构、能量性能等进行了研究，但是由于实验成本的限制，高效的混流式核主泵模型并不多，对高效的核主泵模型进行内部流动的实验研究和对核主泵内部流动特性的分析工作也不多。因此，利用实验验证优秀的水力模型的内流特性，分析性能优越性的原因，是一种既可靠又可行的研究方法，也是高效的水力模型设计中重要的环节。由于国外对于先进的核主泵的研究技术是严格保密的，因此，自主研发高效的安全的混流式核主泵，有利于赶超其他国家在核主泵的相关领域的领先地位，同时有利于达到国家节能减排的目标。

4　可达到的经济效益

核能作为一种清洁的能源，有助于改进以火电为主的结构失衡问题，同时由于核电自身高效节能的特点，已经成为各国发展的必然选择。在2012年通过的《中国核电中长期发展规划(2011-2020年)》中明确提出核电发展路线和核主泵国产化的要求。而核主泵是核电站中控制水循环的关键设备，也是主要的耗能设备，如果核电站中的核主泵运行故障，将直接导致核反应堆停堆，甚至造成严重的核安全事故，因此要求核主泵长期安全运行。如果一台核主泵的单机功率为140万kW，额定功率为7.7 MW，若功率提高1%，一年之内将会节电67万kW·h。因此通过对核主泵内部流动的研究，来进一步发展核能这种清洁的能源，从而提高核主泵的能量性能，对于国民经济以及节能减排都有着极为重要的意义。

5　结语

混流式核主泵在核电站中有着十分重要的地位，因此提高其水力性能、能量性能是十分有意义的，从国内外研究现状可以知道，利用数值模拟和分析的方法来研究内部流动情况是一种十分有效的手段，但是对内部流场观测和分析内流特性的研究很少，因此，利用高效的水力模型，通过核主泵内部流动实验来更好地对核主泵的性能进行设计与优化是十分有意义的。

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