错列导叶对反应堆冷却剂泵水力性能的影响∗

周方明 王晓放 徐胜利 谢 蓉 于洪昌 雍兴平 仲作文

（1.大连理工大学能源与动力学院；2.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司）

错列导叶对反应堆冷却剂泵水力性能的影响∗

周方明1王晓放1徐胜利1谢 蓉1于洪昌2雍兴平2仲作文2

（1.大连理工大学能源与动力学院；2.沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司）

本文采用数值模拟对交错形式的导叶叶片对于三代核电站反应堆冷却剂泵性能的影响进行研究。通过数值模拟和试验结果的比较验证了数值模拟的有效性。数值研究获得了不同交错叶片导叶方案下核主泵性能的变化。得到了水力性能曲线，轴向力曲线和压力脉动频谱图。数值结果表明：在额定流量下交错叶片稍微减少了水力效率，但对扬程、轴向力和功率几乎没有影响。交错叶片导叶有利于压力脉动，降低了水力部件内部压力脉动的振幅幅值，交错角3/4的方案是一个比较好的选择。

反应堆冷却剂泵；交错叶片导叶；水力性能；轴向力；压力脉动

1 概述

反应堆冷却剂泵（简称核主泵）用于反应堆和蒸汽发生器之间驱动冷却剂循环，是核电站反应堆一回路主要承压边界和唯一旋转设备，有核电站“心脏”之称。我国目前正在研发设计的CAP1400及华龙一号等三代核电站用的屏蔽型核主泵或轴封型核主泵的水力部件包括：吸入导管、叶轮、径向导叶和压水室。压水室为环形结构，环形压水室结构简单利于加工制造，并且受热变形均匀安全性高，吸入导管、叶轮、径向空间导叶等部件布置在环形压水室内部，水力部件布置如图1所示。

图1 三代核主泵水力部件示意图Fig.1 Hydraulic components of nuclear reactor coolant pump

导叶位于叶轮和环形压水室之间，导叶结构形式与叶轮相似，由三部分组成：轮毂、轮缘和安放其中的叶片。叶轮机械中叶片通常是设计成一个整体均匀布置安放在轮缘和轮毂之间，并且轮毂和轮缘一般均采用回转面[1]。有时会采用非整体叶片的设计，包括：在周向旋转方向变化叶片即长短叶片的形式，在进出口方向变化叶片即串列叶片形式，在宽度方向变化叶片即错列叶片形式。叶片的错列作为一种设计方式在风机和双吸泵中有所应用。横流风机的交错叶片是相同的叶片每节沿着轴向交错布置，李游[2]对这种横流风机轴向交错叶轮的噪声进行了研究。田杰[3]等研究了这种交错叶轮横流风机气动声学特性，均得出了有利于降低噪声的结论。双吸泵采用的交错叶片也是沿着周向将两个相同的叶片背靠背交错布置，叶片间用隔板隔开。Z C Zhang[4]等研究了交错叶片双吸泵的叶轮径向力。宋冬梅[5]等研究了交错叶片双吸泵的外特性。王福军[6]等研究了交错叶片双吸泵的交替加载设计方法。刘建瑞[7]等对交错叶片双吸泵的压力脉动进行了研究。宋冬梅[8]等也进行了交错叶片双吸泵的压力脉动研究。对交错叶片双吸泵的研究均得出了交错叶片能够降低压力脉动。上述风机和双吸泵的交错叶片都是在叶轮上对相同的叶片采取的错列布置，可以视为比转速相同的叶轮进行并联。基于这种错列的设计思路，对核主泵导叶在叶片宽度方向进行分割，得到不同的叶片在周向错列布置，本文研究这种交错叶片导叶的核主泵水力性能变化，所设计导叶的前后盖板均采用回转面。基于模型泵数值计算，对水力性能曲线、轴力曲线和压力脉动的变化及差异进行分析。

2 交错导叶结构

水力部件参考国内在研的三代核电站用核主泵，由于三代核主泵输送的介质为高温高压的硼酸冷却剂且流量大，需要进行模型试验研究，文献[9]的研究表明可以用清水介质进行研究。参考文献[10]依据相似原理选取相应的水力模型进行研究，模型泵额定点数据为：Qr=1 385m3/h，H=18m，n=1 485r/min。

原始导叶由前后盖板和安放在其中的叶片构成，叶片均布在其中，见图2(a)；把整个导叶叶片由一个沿着流动方向从进口到出口的肋板分成上下两个部分，并在轴面图上保持两部分的面积相等，这样就大体保证了两部分叶片的过流量相同。然后两部分叶片即可在圆周方向上相互交错排列，图2(b)为这种错列导叶的三维形式。交错排列方式采用排列角确定，图2(c)给出了沿圆周方向三种不同交错角研究方案，分别用1/4，1/2和3/4来表示。模型泵叶轮叶片数是5片，未分开错列的原始导叶叶片是13。叶轮、吸入导管和环形压水室在研究中保持不变，改变的仅是在原始导叶上添加的分割肋板和叶片交错。

图2 原始叶片与交错叶片Fig.2 Original diffuser vane and staggered diffuser vane

3 数值计算设置

3.1 计算域和网格划分

数值计算基于模型泵，整个流体计算域包括吸入段、叶轮、导叶、环形压水室、叶轮前后腔室和间隙；整个计算流域如图3所示。为了获得一个相对稳定的进、出口流动，这里把进口吸入段延长了三倍叶轮进口直径的长度，出口段延长了五倍叶轮出口直径的长度。为便于网格的划分计算域的间隙宽度相对于模型泵结构进行了扩大，是实际模型泵各间隙的两倍。计算域的口环间隙为0.5mm，叶轮与导叶间动静间隙为1mm，导叶体与环形压水室间隙为1mm。

图3 流体计算域Fig.3 Fluid computational domains

采用TurboGrid生成叶轮计算域的结构化网格。叶轮网格的边界层y+值设置为100[11]，叶轮计算域总网格数约1.0×106。采用ICEM生成其它静止部件流体计算域的非结构网格，导叶与吸入段，环形压水室进行整体网格划分，总网格数约2.0×106[12]。表1为对静止部件非结构化网格数的敏感性分析，可以看到静止部件内网格数在2.0×106以上，数值水力性能区别很小。因此本次数值计算选取的网格数2.0×106是合理的；叶轮和导叶的网格见图4。

图4 叶轮结构化网格与导叶非结构化网格图Fig.4 Impeller structured grids and diffuser unstructured grids

表1 额定流量Qr下网格数敏感性分析表Table1 Grid sensitivity analysis atQr

3.2 CFD计算设置

采用ANSYS CFX对核主泵内三维不可压缩流动N-S方程求解。湍流模型选择标准k-ε，部件表面设置为无滑移壁面，对流项采用二阶迎风离散化格式，收敛标准为1.0×10-5。计算流体的物性选择为25℃状态下的清水。边界条件设置：静压进口，质量流量出口[13]。定常数值计算中，计算域动静交界面interface设置为“stage”。非定常计算中计算域动静交界面设置为“transient rotor stator”。定常的计算结果作为非定常计算的初始条件。非定常计算时间步长△t=2.2447×10-4s[14];叶轮旋转一周计算180步，计算15周[15]。

3.3 CFD计算与试验比较

在国家工业泵质量监督检验中心进行了模型泵水力性能和轴向力试验，图5为模型泵试验装置。轴向力测试利用沈鼓核泵公司现有应用在核主泵模型泵上的测试方法，在轴承端设置应力环进行测试从而得到轴向力测量结果。数值计算结果与试验结果的对比见图6，依次为：(a)效率，(b)扬程和(c)轴向力；图中可见数值计算值大于测试得到的效率和轴向力，扬程差异很小，曲线的趋势基本是相同的。考虑到数值模拟的简化，特别是效率，数值计算和试验存在的机械损失的差别，比对结果意味着上述的数值设置和计算可以用来预测核主泵模型泵的性能，具有可接受的精度。

图5 1∶2.5模型泵试验装置图Fig.5 Test apparatus of model pump(scale 1∶2.5)

图6 数值计算和试验结果比较Fig.6 Comparison between test and CFD

4 定常数值计算结果分析

CFD计算研究了不同交错叶片导叶下模型泵的效率、扬程、功率和轴向力。由于核主泵电机采用变频方式进行启停，所以核主泵在额定转速下始终工作在额定流量Qr附近。因此CFD计算的流量是从0.85Qr到 1.15Qr。计算获得了不同交错叶片下的Q-η曲线，Q-H曲线，Q-P曲线和Q-Fa曲线；其中Q(m3/h）为流量，η(%)为效率，H(m）为扬程，P(kW)为功率，Fa(N)为轴向力。

3.1 交错叶片与原始叶片比较分析

3.1.1 水力性能比较

首先对交错叶片1/2交错角和原始叶片进行了比较分析，二者的特性曲线见图7，为便于绘图，图中扬程为计算扬程的4倍。从图中可以看出：交错叶片的效率曲线相对于原始叶片稍微下降，而扬程曲线和功率曲线变化很小。交错叶片最高效率点相对于原始叶片向小流量移动。在0.85Qr处交错叶片的效率相比其他流量下降的较大；在0.9Qr到1.1Qr范围内交错叶片的扬程相比原始叶片仅有稍微的减小，在0.85Qr处扬程减少相对较大；交错叶片最大功率值相比原始叶片略有减小，其他流量下二者的功率基本是相等的。总之在额定流量处：1/2交错角交错叶片相对于原始叶片效率略有降低，但扬程和功率的差别很小。

图7 交错叶片与原始叶片水力性能比较Fig.7 Hydraulicperformanceofstaggeredvaneand originalvane

3.1.2 轴向力比较

图8为1/2交错角交错叶片和原始叶片的轴向力对比，总轴向力可以视为两部分构成：叶轮外表面前后盖板的轴向力差和叶轮内表面的动反轴向力。图中可见在0.85Qr到1.1Qr范围内，交错叶片的轴向力曲线相对于原来叶片略有上升，但在1.15Qr处稍微下降，在额定流量Qr处二者轴向力相差很小。在0.95Qr到1.15Qr范围内动反力和总轴向力曲线的斜率大体一致；但在0.85Qr到0.95Qr范围内交错叶片的动反力斜率小于原始叶片，而总轴向力斜率正好相反大于原始叶片。额定流量下二者的动反力和总轴向力数值几乎是一样的差别很小。总之额定流量处1/2交错角交错叶片相对原始叶片，其对总轴向力影响很小。

图8 交错叶片与原始叶片轴向力比较Fig.8 Axial force comparison between staggered vane and original vane

4.2 不同交错角的叶片分析

4.2.1 水力性能比较

三个交错角1/2、1/4和3/4下模型泵的特性曲线见图9，为便于绘图，图中扬程为计算扬程的4倍，图中可见交错角几乎不影响模型泵的水力性能。但在0.85Qr处交错角不同也造成了差别，类似3.1.1小节中交错导叶与原始导叶差别；但是交错角造成的差别明显小于交错导叶与原始导叶差别。分析原因是由于工况点偏离最优点较远时，模型泵内部流动变差，造成了导叶内部流动在宽度方向上出现差别。而交错角的不同对导叶宽度方向上流动影响相对更小。

图9 不同交错角的水力性能比较图Fig.9 Hydraulic performance comparison of different staggered angle

4.2.2 轴向力比较

与水力性能差别一样，同样的情况也出现了轴向力上。图10可见交错角几乎没有影响到模型泵的轴向力。

图10 不同交错角的轴向力比较图Fig.10 Axial force comparison of different staggered angle

4 非定常压力脉动分析比较

为了研究交错叶片对核主泵压力脉动的影响，在计算域内设置了10个监测点，如图11所示。P1和P2分别位于叶轮进口和出口处。P3位于叶轮和导叶之间，P4位于导叶出口处。P6和P7分别位于叶轮前后腔室。P51-P54位于环形压水室内，P51位于压水室出口附近，压水室与前腔有一个间隙连接。定义压力脉动系数h*=p/(ρ×g×U22),其中p(Pa),ρ(kg/m3),U2(m/s)分别是压力、密度和叶轮出口圆周速度，下列压力脉动频域图中纵坐标即为h*。旋转频率用fr表示。模型泵的频域分布类似于文献[16]研究的核主泵压力脉动分析，以下频域分析和比较显示了交错叶片造成的不同压力脉动特性。

图11 计算域内监测点的分布图Fig.11 Monitoring points in computation domain

4.1 交错叶片与原始叶片对比

图12为交错叶片1/2交错角和原始导叶叶轮内监测点压力脉动频域图比较。可以看到监测点P1和P2在转频1×fr、2×fr、3×fr和4×fr处，交错叶片压力脉动振幅小于原始叶片。监测点P1在叶片通过频率5×fr处，交错叶片振幅明显降低。监测点P2在频率13×fr处，交错叶片振幅相对原始叶片有所增加。也就是说在叶轮进出口处，交错叶片产生了不同振幅，降低了低倍转频处的振幅，但稍微增加了叶轮出口处频率13×fr处的振幅。13×fr处的振幅。

图12 监测点P1和P2图Fig.12 Monitor point P1 and P2

图13为交错叶片和原始导叶在导叶处监测点压力脉动频域图比较。图中可见监测点P3和P4的压力脉动最大振幅均出现在频率5×fr处，导叶处的压力脉动频率为叶轮通过频率5×fr的整数倍。监测点P3在频率5×fr和10×fr处，交错叶片振幅相对有所减小，但在其他频率上的振幅则相反交错叶片相对有所增大。监测点P4在频率5×fr和10×fr处，交错叶片的振幅相相对有所减小且差别明显；但在频率15×fr处，二者差别很小。也就是说交错叶片在导叶处产生了不同的振幅，在频率5×fr和10×fr处，交错叶片相对减小了振幅。

图13 监测点P3和P4图Fig.13 Monitor point P3 and P4

图14为交错叶片和原始导叶在压水室内监测点压力脉动频域图比较。图中可见压水室内压力脉动频率与导叶内一样主要为频率5×fr的整数倍，但振幅差异明显与导叶内部不同。各监测点：P53处的最大振幅最大，对应频率为5×fr；P51的最大振幅最小，对应频率为15×fr。P51处二者差异：在频率5×fr处，交错叶片振幅相对有所减小，但在频率10×fr和15×fr处，交错叶片振幅相对增大，其他频率上振幅则差异不大。监测点P52和P54：在频率5×fr处，振幅差异很小，但在频率10×fr和15×fr处，交错叶片的振幅相对增大。监测点P53：在频率5×fr处，振幅差异很小，但在频率10×fr和15×fr处，交错叶片的振幅相对增大。也就是说交错叶片在压水室内产生不同的振幅，相对减小了频率5×fr处的振幅，增加了频率10×fr和15×fr处的振幅。

图15为交错叶片和原始导叶在前后腔室内监测点压力脉动频域图比较。图中可见监测点P6和P7处的压力脉动主要频率均为频率5×fr的整数倍。监测点P6的频域图与压水室内监测点类似，而监测点P7的频域图与导叶处的监测点类似，两个监测点的最大振幅均出现在频率5×fr处。造成前后腔室的压力脉动不同分析原因为：前盖板腔室与压水室相通受到压水室内流动的影响，而后盖板为封闭腔室。监测点P6在频率5×fr、10×fr和25×fr处，交错叶片振幅相对有所减小，但在频率15×fr和20×fr处，交错叶片振幅相对有所增大。监测点P7在频率5×fr和10×fr处，交错叶片振幅与原始叶片相比几乎一样；但在其他频率上，交错叶片振幅相对有所减小。也就是说交错叶片在前后腔室内产生了不同的振幅。交错叶片降低了后盖板腔室在频率5×fr和10×fr处的振幅，但增大了15×fr处的振幅；交错叶片降低了前盖板腔室内高倍转频的振幅。

图14 监测点P51-P54图Fig.14 Monitor points P51-P54

图15 监测点P6和P7图Fig.15 Monitor pointP6 and P7

5.2 不同交错角下压力脉动对比

图16为三种不同交错角在叶轮内监测点压力脉动频域图比较。图中可见监测点P1和P2处，三个不同交错角叶片的压力脉动最大振幅均出现在频率1×fr处，交错角3/4的最大振幅相较其他两个交错角稍小。在频率3×fr和5×fr处交错角1/4振幅小于其他两个交错角。监测点P1在频率10×fr和15×fr处：3/4振幅最小、1/2居中、1/4最大；但幅值差别很小。在频率13×fr处3/4幅值小于其他两个交错角。监测点P2在频率5×fr处1/4的振幅小于其他两个交错角。在13×fr处，3/4的振幅小于其他两个交错角。也就是说在叶轮内部不同交错角产生不同的振幅，但差异较小。

图17为三种不同交错角在导叶处监测点压力脉动频域图比较。图中可见三个交错角的压力脉动频率均为频率5×fr的整数倍，且压力脉动最大振幅均出现在频率5×fr处。监测点P3在频率5×fr处3/4的振幅小于其它两个交错角，但在其他频率上振幅几乎是相同的，差别非常小。监测点P4在频率5×fr处，1/4的振幅明显小于其他两个交错角。在频率10×fr和15×fr处：3/4振幅最小、1/4最大、1/2居中。也就是说不同的交错角在导叶处产生了不同的振幅。交错角3/4有利于减小导叶进口处的压力脉动，而交错角1/4有利于减小导叶出口处的压力脉动。

图16 监测点P1和P2图Fig.16 Monitor point P1 and P2

图17 监测点P3和P4图Fig.17 Monitor point P3 and P4

图18为三种不同交错角在压水室处内监测点压力脉动频域图比较。图中可见各监测点主要频率为频率5×fr的整数倍。各监测点：P53处的最大振幅最大，对应频率为5×fr；P51的最大振幅最小，对应频率为15×fr。P51处三者差异：在频率5×fr处3/4的振幅小于另外两个交错角；在频率10×fr处：1/2的振幅最小、1/4最大、3/4居中；在频率15×fr处：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。监测点P53：在频率5×fr处振幅差异很小，在频率10×fr和15×fr处：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。监测点P52和P54：在频率5×fr处，3/4的振幅小于另外两个交错角；在频率10×fr和15×fr处：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。也就是说不同的交错角在压水室内产生不同的振幅，交错角3/4相对有利于减少压水室内的压力脉动。

图19为三种不同交错角在前后腔室内的监测点压力脉动频域图比较。图中可见监测点P6处，三个交错角压力脉动最大振幅出现在不同频率位置上：1/4位于频率5×fr处、3/4位于频率10×fr处、1/2位于频率15× fr处。在频率5×fr处：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。在频率10×fr处：1/2振幅最小、1/4最大、3/4居中。在频率15×fr处3/4的振幅小于其他两个。在频率20×fr处：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。在频率25×fr处：1/2的振幅最小、3/4最大、1/4居中。在频率30×fr处：1/2的振幅最小、1/4最大、3/4居中。监测点P7在频率5×fr处3/4的振幅小于其他两个；在频率10×fr处1/2的振幅大于其他两个；在频率15×fr处：1/4的振幅、3/4最大、1/2居中。也就是说不同的交错角在前后盖板腔室内产生了不同的振幅。交错角3/4相对有利于减少压力脉动。

图18 监测点P51-P54图Fig.18 Monitor points P51-P54

图19 监测点P6和P7Fig.19 Monitor point P6 and P7

5.3 压力脉动差异分析

叶轮和导叶的动静干涉效应是引起泵压力脉动的一个主要因素，动静干涉引起压力脉动的频率和振幅受到叶轮叶片数和导叶叶片数的影响[17]。通过错列布置方式对叶片进行交错可以改变导叶和叶轮叶片数匹配关系，从而改变泵内的压力脉动[7-8]。本文得到的错列导叶下压力脉动的频域图显示了错列导叶引起的压力脉动的频率和振幅的不同。但是压力脉动的差异相对于错列叶片叶轮较小，也就是说通过改变静止部件导叶的叶片数来改变动静叶片数的匹配关系，能够降低压力脉动，但是效果不如改变旋转部件明显。图20为导叶内部的相对速度分布，各图中左为导叶上半部分内的速度分布，右为导叶下半部分内的速度分布；从图20中可以看出错列导叶与原始导叶的速度分布大体相同，区别在于错列导叶由于上下分成两部分，速度呈现上下两个环状；各导叶内部速度大小也不相同，但是差别很小；流场的分布也说明压力脉动呈现出差别，但是差别很小。

图20 导叶内部相对速度分布图Fig.20 Relative velocity distribution in diffuser

6 结论

本文利用数值模拟的方法，研究了交错叶片导叶对核主泵水力性能的影响。得到了水力性能曲线，轴向力曲线和压力脉动频谱。通过分析得出以下结论：

1）效率曲线、扬程曲线和功率曲线显示了交错叶片导叶对核主泵的影响。额定流量下交错叶片效率有所降低，但扬程和功率差别非常小。交错叶片对总轴向力影响也很小。不同交错角的分析对比表明，交错角几乎对水力性能和轴向力没有影响。

2）交错叶片呈现了不同的压力脉动性能。相对原始导叶，交错叶片降低了叶轮内低倍转频出的压力脉动振幅，但稍微增大了叶轮出口13×fr频率处的振幅。交错叶片降低了导叶处5×fr和10×fr处的压力脉动幅值，降低了压水室和前盖板腔室内5×fr处振幅，降低了后盖板腔室内的高倍转频的振幅。

3）不同交错角导致了不同的振幅。在叶轮中产生振幅差异较小；交错角3/4有利于减小导叶进口、压水室和前后盖板腔室内的压力脉动振幅，而交错角1/4有利于减小导叶出口的压力脉动。

总之交错叶片导叶相对原始导叶，其对核主泵水力性能和轴向力影响较小，主要影响压力脉动性能。交错叶片相对有助于降低压力脉动，交错角3/4是一个相对比较好的角度选择。

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The Effects of Staggered Diffuser Vanes on the Hydraulic Characteristics of a Nuclear Reactor Coolant Pump

Fang-ming Zhou1Xiao-fang Wang1Sheng-li Xun1Rong Xie1Hong-chang Yu2Xing-ping Yong2Zuo-wen Zhong2
（1.School of Energy and Power Engineering,Dalian University of technology; 2.Shenyang Blower Works Group Nuclear Pumb Co.,Ltd.）

The effect of staggered diffuser vanes in a third-generation nuclear reactor coolant pump is numerically investigated.The numerical results are validated by comparison to experimental data.The performance change of the nuclear coolant pump with differently staggered vanes case was determined including the hydraulic performance curve,the axial force curve and the static pressure pulsation spectrogram.The simulation results show that in the rated flow,staggered vane reduce the hydraulic efficiency,but have no effect on the head,power and total axial force.Staggered vane with an angle of¾have the advantage to reduce the pressure pulsation amplitude.

nuclear reactor coolant pump;staggered diffuser vanes;hydraulic performance;axial force;pressure pulsation

TH311;TK05

：1006-8155-(2017)01-0007-11

ADOI：10.16492/j.fjjs.2017.01.0002

辽宁省科技创新重大项目“CAP1400屏蔽电机核主泵水力部分研制（项目编号：201410001）”的支持;国家重点基础研究发展计划973课题“大功率屏蔽式核主泵自主化形性协同制造原理（项目编号：2015CB057301）”的支持。

2016-09-20 辽宁 大连 116000