俄罗斯铅基轴流泵过流部件的研究概况

娄芮凡 李娜 张超 何子庆

摘 要：铅基反应堆装置为池式结构，其冷却剂的特点为密度大、温度高且对结构材料磨蚀严重等、所以铅基反应堆装置冷却剂在铅池内的流速慢且流量大，因此需要一种低扬程、大流量、结构简单、重量轻、安装灵活的轴流泵。以确保装置内冷却剂的流动。本文就是对俄罗斯在研究设计铅基堆主轴流泵过流部件的大致方向和已取得的一些成果进行简要阐述。

关键词：铅基反应堆;轴流泵;过流部件

1 铅基介质概述

核反应堆回路的性能和可靠性很大一部分都取决于其主泵的性能。而铅基金属泵则是要能在有特殊物理化学性质的铅基液态金属中稳定且高效地运行。铅基冷却剂在工作温度下的饱和蒸汽压为10-18atm-10-8atm，其本身的氧化能力和腐蚀特性与水和钠有很大不同，铅基冷却剂的工作温度与沸点相差近1000℃，密度大（流动惯性力大），表面张力比水大，在350℃时约为400N/m，对结构钢有不可浸润性，在氩气环境下浸润角约为110°-120°，在一定条件下会生成氧化物，在400℃时运动粘度比水大，约为20.99×10-8m2/s，导热系数在400℃是约为16.58Wt/m K，高于水却低于钠。

以上的一切特征都极大地改变了泵出过程的特征。但可以肯定的是，基本的物理定律适用于所有的非牛顿液体，不管是铅基液态金属还是水。只是在计算的过程中使用水泵设计的经验或是半经验方法来计算铅基泵就是不适用的。

以上结论得到了俄罗斯船用铅铋核动力装置运行和铅冷却剂泵试验的数据支持。

2 铅基轴流泵特点介绍

俄罗斯计划2030年前设计建造一座铅冷快堆，即SREST-OD-300。该反应堆使用的是轴流泵，该泵的作用主要是在运行时将流体进行扩散，保证铅基池中的冷却剂可以低速循环。但是扩散冷却剂的过程中轴流泵体不稳定，而且由于反应堆是池式结构，泵由法兰固定于铅基池顶盖所以泵体比较长，转动过程中更容易失稳，为了让其稳定运行需要对过流部进行改造，但是改造后的结构会让介质在叶片表面附近的速度，方向和受力发生变化，从而导致过流区特性下降和叶片受到磨损和侵蚀。

在俄罗斯NGTW大学FT-4装置上运行测试的SREST-OD-300小型模拟主泵在试验中应用传统水泵方式设计的叶轮进行测试，发现在运行（200-400）h的时候叶轮就会出现或大或小的磨蚀。有时显示实际压头与流量的不匹配，这表明其中发生了很多与水介质不一样的现象。

3 轴流泵叶片的结构简介

轴流泵叶片截面为翼型结构结构，如图1所示，

如图骨架线与前后交点的连线长度为叶片的翼展长l，绕度为f、厚度为s，叶片圆周速度u与骨架线的切线所夹的角为β1和β2，速度ωcp与叶片弦l之间的夹角为冲角δ、安放角为α。流体相对速度为ωcp，如图2速度三角形所示，其大小和方向为：

4 对铅基泵过流部的研究目标和方向

由于上述的原因，需要对铅基泵的过流部件进行多方面的实验研究。该工作的主要方向是：

a. 研究叶片系统的特性与叶片安装角度的关系;

b. 叶片几何形态（弯曲度）与叶轮系统特性的关系;

c. 对铅基泵““气蚀””现象进行定义和研究。

以此为依据对铅基轴流泵的叶轮进行设计开发，以保证其在铅基堆中稳定高效的运行。

5 研究结果阐述

5.1 叶轮系统特性研究

试验叶轮分为6个叶片和4个叶片两大类，叶轮安装的叶片安放角分为9°、15°、22°、28°和35°，转速分为600、700、800、900、1000、1100r/min，介质温度为400-450℃，氧活性大于10-5以确保在过流部件中生成氧化层。

经过试验发现4个叶片的叶轮当安放角为22°时输运铅基冷却剂的能力最优，如当转速为1100r/min时压头为0.8m CT.Pb，流量为172m?/h。其余的安放角条件下最大压头为0.58M CT.Pb，最大流量为146 m?/h。

当选用6个叶片的叶轮时，安放角为28°时输运铅基冷却剂的能力最优，即当转速为1100r/min时压头为0.73m CT.Pb，流量为177m?/h。

试验结果如图3还表明泵的压头与叶轮叶片数无关于叶片安放角有关。即4个叶片的叶轮的最佳安放角比6个叶片的叶轮的最佳安放角小5°-10°。

不管是六个叶片的叶轮还是四个叶片的叶轮，在其它条件都基本相同时，当其转速由600r/min提高到1000r/min时，流量和压头都会随转速的增加而平稳增加，但当转速由1000r/min提高到1100r/min时该泵的流量和压头会突然大幅度上升。

另外再设计叶片时除了安放角还需要考虑叶片的弯曲度，即叶片自身的几何形状，如图4所示

经试验研究后得出的结论是对于所有转速下对叶片前端1/3处进行弯曲都会提升泵的性能，只是对不同的叶片安放角所对应的最优弯曲度是不同的。

5.2泵导流部件的研究

导流件的安装是为了矫正和改良轴流泵叶轮后的介质流场，提高轴流泵工作时的整体稳定性。如图5所示。

在试验过程中改变转速，改变导流件的入口角度，测试泵的流量、压头和效率。试验发现对于该实验泵在600r/min-1000r/min的转速范围内压头与导流件的入口角度无关。另外，在700r/min-1100r/min的轉速时该泵的效率与导流件的入口角度基本无关，这些都与水泵的设计理论完全不同，需要进一步的研究以开发铅基轴流泵的最优设计方案。

5.3 泵“气蚀”的特性研究

另外，在试验过程中发现在440℃-550℃的温度下，当该轴流泵的转速提高到1400r/min时，即当流速在超过14m/s时，该实验泵开始出现”气蚀”现象。

经研究分析得出高温铅基金属冷却剂的物理性质与传统的水大不相同，铅基冷却剂分子与氧化钢表面的分子作用力远小于铅基冷却剂分子间的相互作用力，表现为铅基冷却剂不会对钢结构表面进行浸润，泵叶轮高速转动时，在表面张力、重力、压力等作用下，铅基冷却剂在流动过程中会局部收缩形成涡旋并从结构钢表面脱落形成连续的压力脉冲，同时在运输过程中由于局部压力的变化冲击过流部件，从而使泵的结构遭到侵蚀和破坏。如图6所示。

6 总结

文章对俄罗斯铅基轴流泵的叶轮，导流件和“汽蚀”现象的研究方向和进展进行了梳理，发现由于铅基介质与水和钠在物理和化学性质上存在这本质的不同，所以在对于轴流泵的过流部在进行优化设计的时候会有与水，钠泵完全不同的方法。而以上所介绍的研究实验方法则是为了能最终确定一套铅基轴流泵的设计方法。

作者简介：

娄芮凡（1992.08—），男，四川成都人，硕士研究生，助理工程师，热工水力研究方向。

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610015）