1000MW 核主泵水力计算与压力脉动分析

霍泽宇

（哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江 哈尔滨150000）

核主泵又叫做核电站反应堆冷却剂主泵，是核电站系统的重要组成部分之一，主要功能是为核反应堆冷却剂提供循环的动力，核主泵的运行既要满足水力的功能性要求，保证运行的稳定，又要考虑到压力脉动的影响。核主泵内部结构较为复杂，受到叶顶间隙和轮毂旋转等边界因素的影响。本文通过试验，对轴流式核主泵进行研究，主泵由泵壳、叶轮罩、导叶以及叶轮等部件组成，结构见图1。首先采用稳态方法计算栗整机流场，将数值与试验值对比分析，确定CFD 数值计算方式的准确，然后又在计算中设置15 个压力脉动监测点，用来研究主泵内部的压力脉动规律等情况。

图1 主泵水力部件图

1 泵参数及模型

1000MW 核电机组轴流泵叶轮设计参数为: 设计流量Q=23790 m2/h、扬程H=97.2 m、运行转速n=1484 r/min、比转速n,=450。叶轮有5 个叶片、14 个导叶片。轴频率f=24.77 Hz、叶轮通过频率fy=123.83、导叶通过频率fd=346.7。根据参数建立计算模型，由叶轮罩、叶轮、导叶和泵壳组成。

2 稳态核主泵水力计算

2.1 网格及边界条件

主泵水力网格的数量以及分布情况对计算结果都会产生一定的影响，直接关系到计算过程中主泵运行的稳定以及数值计算结果的准确。模型计算中采用的是六面体网格，在旋转部件、流动比较剧烈的位置以及静态壁面等地方都用加密的网格控制。网格如图2。流体模型采用的是RNG k-ε 模型，进口区域指定了流量，出口区域设定压力边界，壁面无滑移边界。

图2 主泵水力部件网格

2.2 结果分析

在核主泵中，冷却用水从泵壳的进口到出口这一流动过程中是具有一定的能量变化的，图3 显示的是主泵剖面压力分布情况。从图3 可以看出，在泵进口到叶轮前阶段之间冷却水压力损失，在叶轮的入口处压力最小，然后叶轮旋转对冷却水开始作用，冷却水的压力随之加大，而后冷却水经过导叶，导叶将冷却水整流并将水速转化为压力能，此时冷却水的压力处于最强，最后冷却水流出泵口，压力逐渐降低。

图3 主泵剖面压力分布云图

3 非稳态压力脉动分析

非稳态模拟计算中，主泵的流道内有一定的脉动情况发生，于是在主要位置设置了脉动监测点。为了精准分析主泵内叶轮、导叶以及流体的变化情况，在主泵的流道内设置了15 个监测点，主泵进口区域有3 个、叶轮处4 个、导叶处4 个以及主泵泵壳出口区域共4 个。

图4 泵进口流线图

图5 流量-扬程外特性曲线

从各监测点压力随时间变化的规律图像，可以看出，监测点的压力脉动呈现出了明显的变化规律。进口3 监测点的压力脉动变化均匀，周期性较好，因为这个区域只是受到叶轮的影响，所以压力脉动呈现的是一种规则的正弦波。叶轮4 监测点的压力脉动情况就相对复杂一些，受到叶轮和导叶的共同作用影响，波峰波谷会有二次产生的情况，但总体还是有较为明显的周期性。导叶4 和泵壳出口4 监测点的波动幅度比叶轮4 监测点的变化小一些，但是同一时间内变化次数多，说明这个区域内的脉动频率是比较高的。主泵泵壳冷却水的进水区域是属于低压状态，为了监测压力脉动情况，在轴向设置3 个监测点。叶轮进口区域内在叶轮抽吸的作用下，叶轮压力面和吸力面产生了一定的压力梯度，而且受到液流对叶轮进口的冲击影响，在旋转叶轮时会引起进口区域内的压力脉动。

4 轴向力和功率脉动分析

轴流泵叶轮旋转过程中对冷却水做功，驱动冷却水在核反应堆内循环。与此同时，轴流泵叶轮叶片受到冷却水的反作用力，叶片受力脉动是叶片所受的主要疲劳载荷，脉动幅值大小和频率成分直接影响叶轮的使用寿命。

5 结论

综上所述，本文通过对1000MW 核主泵进行全流道水力性能计算，与试验值比较分析，而且对核主泵非稳态三维流动过程进行分析，研究探讨了相关的压力脉动特性。对核主泵不同流量时水力性能的仿真计算结果与试验值之间的误差小于5%，因此数值具有较大的科学性和可靠性。核主泵的压力脉动情况分析结果显示，核主泵在泵壳进口处的压力脉动呈规则的正弦波状态，但是脉动频率的种类多，而且幅值也比较大，泵壳出口处的压力脉动弱。本次试验采用的是科学的计算方式，计算结果精准性高，有较大的参考意义。