周方明 王曉放 徐勝利 謝 蓉 于洪昌 雍興平 仲作文

（1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司）

錯(cuò)列導(dǎo)葉對(duì)反應(yīng)堆冷卻劑泵水力性能的影響?

周方明1王曉放1徐勝利1謝 蓉1于洪昌2雍興平2仲作文2

（1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司）

本文采用數(shù)值模擬對(duì)交錯(cuò)形式的導(dǎo)葉葉片對(duì)于三代核電站反應(yīng)堆冷卻劑泵性能的影響進(jìn)行研究。通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性。數(shù)值研究獲得了不同交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉方案下核主泵性能的變化。得到了水力性能曲線，軸向力曲線和壓力脈動(dòng)頻譜圖。數(shù)值結(jié)果表明：在額定流量下交錯(cuò)葉片稍微減少了水力效率，但對(duì)揚(yáng)程、軸向力和功率幾乎沒有影響。交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉有利于壓力脈動(dòng)，降低了水力部件內(nèi)部壓力脈動(dòng)的振幅幅值，交錯(cuò)角3/4的方案是一個(gè)比較好的選擇。

反應(yīng)堆冷卻劑泵；交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉；水力性能；軸向力；壓力脈動(dòng)

1 概述

反應(yīng)堆冷卻劑泵（簡稱核主泵）用于反應(yīng)堆和蒸汽發(fā)生器之間驅(qū)動(dòng)冷卻劑循環(huán)，是核電站反應(yīng)堆一回路主要承壓邊界和唯一旋轉(zhuǎn)設(shè)備，有核電站“心臟”之稱。我國目前正在研發(fā)設(shè)計(jì)的CAP1400及華龍一號(hào)等三代核電站用的屏蔽型核主泵或軸封型核主泵的水力部件包括：吸入導(dǎo)管、葉輪、徑向?qū)~和壓水室。壓水室為環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)形壓水室結(jié)構(gòu)簡單利于加工制造，并且受熱變形均勻安全性高，吸入導(dǎo)管、葉輪、徑向空間導(dǎo)葉等部件布置在環(huán)形壓水室內(nèi)部，水力部件布置如圖1所示。

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

導(dǎo)葉位于葉輪和環(huán)形壓水室之間，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)形式與葉輪相似，由三部分組成：輪轂、輪緣和安放其中的葉片。葉輪機(jī)械中葉片通常是設(shè)計(jì)成一個(gè)整體均勻布置安放在輪緣和輪轂之間，并且輪轂和輪緣一般均采用回轉(zhuǎn)面[1]。有時(shí)會(huì)采用非整體葉片的設(shè)計(jì)，包括：在周向旋轉(zhuǎn)方向變化葉片即長短葉片的形式，在進(jìn)出口方向變化葉片即串列葉片形式，在寬度方向變化葉片即錯(cuò)列葉片形式。葉片的錯(cuò)列作為一種設(shè)計(jì)方式在風(fēng)機(jī)和雙吸泵中有所應(yīng)用。橫流風(fēng)機(jī)的交錯(cuò)葉片是相同的葉片每節(jié)沿著軸向交錯(cuò)布置，李游[2]對(duì)這種橫流風(fēng)機(jī)軸向交錯(cuò)葉輪的噪聲進(jìn)行了研究。田杰[3]等研究了這種交錯(cuò)葉輪橫流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)聲學(xué)特性，均得出了有利于降低噪聲的結(jié)論。雙吸泵采用的交錯(cuò)葉片也是沿著周向?qū)蓚€(gè)相同的葉片背靠背交錯(cuò)布置，葉片間用隔板隔開。Z C Zhang[4]等研究了交錯(cuò)葉片雙吸泵的葉輪徑向力。宋冬梅[5]等研究了交錯(cuò)葉片雙吸泵的外特性。王福軍[6]等研究了交錯(cuò)葉片雙吸泵的交替加載設(shè)計(jì)方法。劉建瑞[7]等對(duì)交錯(cuò)葉片雙吸泵的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究。宋冬梅[8]等也進(jìn)行了交錯(cuò)葉片雙吸泵的壓力脈動(dòng)研究。對(duì)交錯(cuò)葉片雙吸泵的研究均得出了交錯(cuò)葉片能夠降低壓力脈動(dòng)。上述風(fēng)機(jī)和雙吸泵的交錯(cuò)葉片都是在葉輪上對(duì)相同的葉片采取的錯(cuò)列布置，可以視為比轉(zhuǎn)速相同的葉輪進(jìn)行并聯(lián)?；谶@種錯(cuò)列的設(shè)計(jì)思路，對(duì)核主泵導(dǎo)葉在葉片寬度方向進(jìn)行分割，得到不同的葉片在周向錯(cuò)列布置，本文研究這種交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉的核主泵水力性能變化，所設(shè)計(jì)導(dǎo)葉的前后蓋板均采用回轉(zhuǎn)面?；谀Ｐ捅脭?shù)值計(jì)算，對(duì)水力性能曲線、軸力曲線和壓力脈動(dòng)的變化及差異進(jìn)行分析。

2 交錯(cuò)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)

水力部件參考國內(nèi)在研的三代核電站用核主泵，由于三代核主泵輸送的介質(zhì)為高溫高壓的硼酸冷卻劑且流量大，需要進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[9]的研究表明可以用清水介質(zhì)進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)[10]依據(jù)相似原理選取相應(yīng)的水力模型進(jìn)行研究，模型泵額定點(diǎn)數(shù)據(jù)為：Qr=1 385m3/h，H=18m，n=1 485r/min。

原始導(dǎo)葉由前后蓋板和安放在其中的葉片構(gòu)成，葉片均布在其中，見圖2(a)；把整個(gè)導(dǎo)葉葉片由一個(gè)沿著流動(dòng)方向從進(jìn)口到出口的肋板分成上下兩個(gè)部分，并在軸面圖上保持兩部分的面積相等，這樣就大體保證了兩部分葉片的過流量相同。然后兩部分葉片即可在圓周方向上相互交錯(cuò)排列，圖2(b)為這種錯(cuò)列導(dǎo)葉的三維形式。交錯(cuò)排列方式采用排列角確定，圖2(c)給出了沿圓周方向三種不同交錯(cuò)角研究方案，分別用1/4，1/2和3/4來表示。模型泵葉輪葉片數(shù)是5片，未分開錯(cuò)列的原始導(dǎo)葉葉片是13。葉輪、吸入導(dǎo)管和環(huán)形壓水室在研究中保持不變，改變的僅是在原始導(dǎo)葉上添加的分割肋板和葉片交錯(cuò)。

圖2 原始葉片與交錯(cuò)葉片F(xiàn)ig.2 Original diffuser vane and staggered diffuser vane

3 數(shù)值計(jì)算設(shè)置

3.1 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算基于模型泵，整個(gè)流體計(jì)算域包括吸入段、葉輪、導(dǎo)葉、環(huán)形壓水室、葉輪前后腔室和間隙；整個(gè)計(jì)算流域如圖3所示。為了獲得一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的進(jìn)、出口流動(dòng)，這里把進(jìn)口吸入段延長了三倍葉輪進(jìn)口直徑的長度，出口段延長了五倍葉輪出口直徑的長度。為便于網(wǎng)格的劃分計(jì)算域的間隙寬度相對(duì)于模型泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)大，是實(shí)際模型泵各間隙的兩倍。計(jì)算域的口環(huán)間隙為0.5mm，葉輪與導(dǎo)葉間動(dòng)靜間隙為1mm，導(dǎo)葉體與環(huán)形壓水室間隙為1mm。

圖3 流體計(jì)算域Fig.3 Fluid computational domains

采用TurboGrid生成葉輪計(jì)算域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。葉輪網(wǎng)格的邊界層y+值設(shè)置為100[11]，葉輪計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)約1.0×106。采用ICEM生成其它靜止部件流體計(jì)算域的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，導(dǎo)葉與吸入段，環(huán)形壓水室進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格數(shù)約2.0×106[12]。表1為對(duì)靜止部件非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)的敏感性分析，可以看到靜止部件內(nèi)網(wǎng)格數(shù)在2.0×106以上，數(shù)值水力性能區(qū)別很小。因此本次數(shù)值計(jì)算選取的網(wǎng)格數(shù)2.0×106是合理的；葉輪和導(dǎo)葉的網(wǎng)格見圖4。

圖4 葉輪結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與導(dǎo)葉非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖Fig.4 Impeller structured grids and diffuser unstructured grids

表1 額定流量Qr下網(wǎng)格數(shù)敏感性分析表Table1 Grid sensitivity analysis atQr

3.2 CFD計(jì)算設(shè)置

采用ANSYS CFX對(duì)核主泵內(nèi)三維不可壓縮流動(dòng)N-S方程求解。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε，部件表面設(shè)置為無滑移壁面，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)離散化格式，收斂標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-5。計(jì)算流體的物性選擇為25℃狀態(tài)下的清水。邊界條件設(shè)置：靜壓進(jìn)口，質(zhì)量流量出口[13]。定常數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算域動(dòng)靜交界面interface設(shè)置為“stage”。非定常計(jì)算中計(jì)算域動(dòng)靜交界面設(shè)置為“transient rotor stator”。定常的計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件。非定常計(jì)算時(shí)間步長△t=2.2447×10-4s[14];葉輪旋轉(zhuǎn)一周計(jì)算180步，計(jì)算15周[15]。

3.3 CFD計(jì)算與試驗(yàn)比較

在國家工業(yè)泵質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了模型泵水力性能和軸向力試驗(yàn)，圖5為模型泵試驗(yàn)裝置。軸向力測(cè)試?yán)蒙蚬暮吮霉粳F(xiàn)有應(yīng)用在核主泵模型泵上的測(cè)試方法，在軸承端設(shè)置應(yīng)力環(huán)進(jìn)行測(cè)試從而得到軸向力測(cè)量結(jié)果。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見圖6，依次為：(a)效率，(b)揚(yáng)程和(c)軸向力；圖中可見數(shù)值計(jì)算值大于測(cè)試得到的效率和軸向力，揚(yáng)程差異很小，曲線的趨勢(shì)基本是相同的?？紤]到數(shù)值模擬的簡化，特別是效率，數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)存在的機(jī)械損失的差別，比對(duì)結(jié)果意味著上述的數(shù)值設(shè)置和計(jì)算可以用來預(yù)測(cè)核主泵模型泵的性能，具有可接受的精度。

圖5 1∶2.5模型泵試驗(yàn)裝置圖Fig.5 Test apparatus of model pump(scale 1∶2.5)

圖6 數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.6 Comparison between test and CFD

4 定常數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

CFD計(jì)算研究了不同交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉下模型泵的效率、揚(yáng)程、功率和軸向力。由于核主泵電機(jī)采用變頻方式進(jìn)行啟停，所以核主泵在額定轉(zhuǎn)速下始終工作在額定流量Qr附近。因此CFD計(jì)算的流量是從0.85Qr到 1.15Qr。計(jì)算獲得了不同交錯(cuò)葉片下的Q-η曲線，Q-H曲線，Q-P曲線和Q-Fa曲線；其中Q(m3/h）為流量，η(%)為效率，H(m）為揚(yáng)程，P(kW)為功率，F(xiàn)a(N)為軸向力。

3.1 交錯(cuò)葉片與原始葉片比較分析

3.1.1 水力性能比較

首先對(duì)交錯(cuò)葉片1/2交錯(cuò)角和原始葉片進(jìn)行了比較分析，二者的特性曲線見圖7，為便于繪圖，圖中揚(yáng)程為計(jì)算揚(yáng)程的4倍。從圖中可以看出：交錯(cuò)葉片的效率曲線相對(duì)于原始葉片稍微下降，而揚(yáng)程曲線和功率曲線變化很小。交錯(cuò)葉片最高效率點(diǎn)相對(duì)于原始葉片向小流量移動(dòng)。在0.85Qr處交錯(cuò)葉片的效率相比其他流量下降的較大；在0.9Qr到1.1Qr范圍內(nèi)交錯(cuò)葉片的揚(yáng)程相比原始葉片僅有稍微的減小，在0.85Qr處揚(yáng)程減少相對(duì)較大；交錯(cuò)葉片最大功率值相比原始葉片略有減小，其他流量下二者的功率基本是相等的。總之在額定流量處：1/2交錯(cuò)角交錯(cuò)葉片相對(duì)于原始葉片效率略有降低，但揚(yáng)程和功率的差別很小。

圖7 交錯(cuò)葉片與原始葉片水力性能比較Fig.7 Hydraulicperformanceofstaggeredvaneand originalvane

3.1.2 軸向力比較

圖8為1/2交錯(cuò)角交錯(cuò)葉片和原始葉片的軸向力對(duì)比，總軸向力可以視為兩部分構(gòu)成：葉輪外表面前后蓋板的軸向力差和葉輪內(nèi)表面的動(dòng)反軸向力。圖中可見在0.85Qr到1.1Qr范圍內(nèi)，交錯(cuò)葉片的軸向力曲線相對(duì)于原來葉片略有上升，但在1.15Qr處稍微下降，在額定流量Qr處二者軸向力相差很小。在0.95Qr到1.15Qr范圍內(nèi)動(dòng)反力和總軸向力曲線的斜率大體一致；但在0.85Qr到0.95Qr范圍內(nèi)交錯(cuò)葉片的動(dòng)反力斜率小于原始葉片，而總軸向力斜率正好相反大于原始葉片。額定流量下二者的動(dòng)反力和總軸向力數(shù)值幾乎是一樣的差別很小。總之額定流量處1/2交錯(cuò)角交錯(cuò)葉片相對(duì)原始葉片，其對(duì)總軸向力影響很小。

圖8 交錯(cuò)葉片與原始葉片軸向力比較Fig.8 Axial force comparison between staggered vane and original vane

4.2 不同交錯(cuò)角的葉片分析

4.2.1 水力性能比較

三個(gè)交錯(cuò)角1/2、1/4和3/4下模型泵的特性曲線見圖9，為便于繪圖，圖中揚(yáng)程為計(jì)算揚(yáng)程的4倍，圖中可見交錯(cuò)角幾乎不影響模型泵的水力性能。但在0.85Qr處交錯(cuò)角不同也造成了差別，類似3.1.1小節(jié)中交錯(cuò)導(dǎo)葉與原始導(dǎo)葉差別；但是交錯(cuò)角造成的差別明顯小于交錯(cuò)導(dǎo)葉與原始導(dǎo)葉差別。分析原因是由于工況點(diǎn)偏離最優(yōu)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，模型泵內(nèi)部流動(dòng)變差，造成了導(dǎo)葉內(nèi)部流動(dòng)在寬度方向上出現(xiàn)差別。而交錯(cuò)角的不同對(duì)導(dǎo)葉寬度方向上流動(dòng)影響相對(duì)更小。

圖9 不同交錯(cuò)角的水力性能比較圖Fig.9 Hydraulic performance comparison of different staggered angle

4.2.2 軸向力比較

與水力性能差別一樣，同樣的情況也出現(xiàn)了軸向力上。圖10可見交錯(cuò)角幾乎沒有影響到模型泵的軸向力。

圖10 不同交錯(cuò)角的軸向力比較圖Fig.10 Axial force comparison of different staggered angle

4 非定常壓力脈動(dòng)分析比較

為了研究交錯(cuò)葉片對(duì)核主泵壓力脈動(dòng)的影響，在計(jì)算域內(nèi)設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖11所示。P1和P2分別位于葉輪進(jìn)口和出口處。P3位于葉輪和導(dǎo)葉之間，P4位于導(dǎo)葉出口處。P6和P7分別位于葉輪前后腔室。P51-P54位于環(huán)形壓水室內(nèi)，P51位于壓水室出口附近，壓水室與前腔有一個(gè)間隙連接。定義壓力脈動(dòng)系數(shù)h*=p/(ρ×g×U22),其中p(Pa),ρ(kg/m3),U2(m/s)分別是壓力、密度和葉輪出口圓周速度，下列壓力脈動(dòng)頻域圖中縱坐標(biāo)即為h*。旋轉(zhuǎn)頻率用fr表示。模型泵的頻域分布類似于文獻(xiàn)[16]研究的核主泵壓力脈動(dòng)分析，以下頻域分析和比較顯示了交錯(cuò)葉片造成的不同壓力脈動(dòng)特性。

圖11 計(jì)算域內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的分布圖Fig.11 Monitoring points in computation domain

4.1 交錯(cuò)葉片與原始葉片對(duì)比

圖12為交錯(cuò)葉片1/2交錯(cuò)角和原始導(dǎo)葉葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較?？梢钥吹奖O(jiān)測(cè)點(diǎn)P1和P2在轉(zhuǎn)頻1×fr、2×fr、3×fr和4×fr處，交錯(cuò)葉片壓力脈動(dòng)振幅小于原始葉片。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1在葉片通過頻率5×fr處，交錯(cuò)葉片振幅明顯降低。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2在頻率13×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)原始葉片有所增加。也就是說在葉輪進(jìn)出口處，交錯(cuò)葉片產(chǎn)生了不同振幅，降低了低倍轉(zhuǎn)頻處的振幅，但稍微增加了葉輪出口處頻率13×fr處的振幅。13×fr處的振幅。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1和P2圖Fig.12 Monitor point P1 and P2

圖13為交錯(cuò)葉片和原始導(dǎo)葉在導(dǎo)葉處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3和P4的壓力脈動(dòng)最大振幅均出現(xiàn)在頻率5×fr處，導(dǎo)葉處的壓力脈動(dòng)頻率為葉輪通過頻率5×fr的整數(shù)倍。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3在頻率5×fr和10×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)有所減小，但在其他頻率上的振幅則相反交錯(cuò)葉片相對(duì)有所增大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4在頻率5×fr和10×fr處，交錯(cuò)葉片的振幅相相對(duì)有所減小且差別明顯；但在頻率15×fr處，二者差別很小。也就是說交錯(cuò)葉片在導(dǎo)葉處產(chǎn)生了不同的振幅，在頻率5×fr和10×fr處，交錯(cuò)葉片相對(duì)減小了振幅。

圖13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3和P4圖Fig.13 Monitor point P3 and P4

圖14為交錯(cuò)葉片和原始導(dǎo)葉在壓水室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見壓水室內(nèi)壓力脈動(dòng)頻率與導(dǎo)葉內(nèi)一樣主要為頻率5×fr的整數(shù)倍，但振幅差異明顯與導(dǎo)葉內(nèi)部不同。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)：P53處的最大振幅最大，對(duì)應(yīng)頻率為5×fr；P51的最大振幅最小，對(duì)應(yīng)頻率為15×fr。P51處二者差異：在頻率5×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)有所減小，但在頻率10×fr和15×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)增大，其他頻率上振幅則差異不大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P52和P54：在頻率5×fr處，振幅差異很小，但在頻率10×fr和15×fr處，交錯(cuò)葉片的振幅相對(duì)增大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P53：在頻率5×fr處，振幅差異很小，但在頻率10×fr和15×fr處，交錯(cuò)葉片的振幅相對(duì)增大。也就是說交錯(cuò)葉片在壓水室內(nèi)產(chǎn)生不同的振幅，相對(duì)減小了頻率5×fr處的振幅，增加了頻率10×fr和15×fr處的振幅。

圖15為交錯(cuò)葉片和原始導(dǎo)葉在前后腔室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6和P7處的壓力脈動(dòng)主要頻率均為頻率5×fr的整數(shù)倍。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6的頻域圖與壓水室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)類似，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)P7的頻域圖與導(dǎo)葉處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)類似，兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大振幅均出現(xiàn)在頻率5×fr處。造成前后腔室的壓力脈動(dòng)不同分析原因?yàn)椋呵吧w板腔室與壓水室相通受到壓水室內(nèi)流動(dòng)的影響，而后蓋板為封閉腔室。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6在頻率5×fr、10×fr和25×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)有所減小，但在頻率15×fr和20×fr處，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)有所增大。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P7在頻率5×fr和10×fr處，交錯(cuò)葉片振幅與原始葉片相比幾乎一樣；但在其他頻率上，交錯(cuò)葉片振幅相對(duì)有所減小。也就是說交錯(cuò)葉片在前后腔室內(nèi)產(chǎn)生了不同的振幅。交錯(cuò)葉片降低了后蓋板腔室在頻率5×fr和10×fr處的振幅，但增大了15×fr處的振幅；交錯(cuò)葉片降低了前蓋板腔室內(nèi)高倍轉(zhuǎn)頻的振幅。

圖14 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P51-P54圖Fig.14 Monitor points P51-P54

圖15 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6和P7圖Fig.15 Monitor pointP6 and P7

5.2 不同交錯(cuò)角下壓力脈動(dòng)對(duì)比

圖16為三種不同交錯(cuò)角在葉輪內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1和P2處，三個(gè)不同交錯(cuò)角葉片的壓力脈動(dòng)最大振幅均出現(xiàn)在頻率1×fr處，交錯(cuò)角3/4的最大振幅相較其他兩個(gè)交錯(cuò)角稍小。在頻率3×fr和5×fr處交錯(cuò)角1/4振幅小于其他兩個(gè)交錯(cuò)角。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1在頻率10×fr和15×fr處：3/4振幅最小、1/2居中、1/4最大；但幅值差別很小。在頻率13×fr處3/4幅值小于其他兩個(gè)交錯(cuò)角。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2在頻率5×fr處1/4的振幅小于其他兩個(gè)交錯(cuò)角。在13×fr處，3/4的振幅小于其他兩個(gè)交錯(cuò)角。也就是說在葉輪內(nèi)部不同交錯(cuò)角產(chǎn)生不同的振幅，但差異較小。

圖17為三種不同交錯(cuò)角在導(dǎo)葉處監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見三個(gè)交錯(cuò)角的壓力脈動(dòng)頻率均為頻率5×fr的整數(shù)倍，且壓力脈動(dòng)最大振幅均出現(xiàn)在頻率5×fr處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3在頻率5×fr處3/4的振幅小于其它兩個(gè)交錯(cuò)角，但在其他頻率上振幅幾乎是相同的，差別非常小。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P4在頻率5×fr處，1/4的振幅明顯小于其他兩個(gè)交錯(cuò)角。在頻率10×fr和15×fr處：3/4振幅最小、1/4最大、1/2居中。也就是說不同的交錯(cuò)角在導(dǎo)葉處產(chǎn)生了不同的振幅。交錯(cuò)角3/4有利于減小導(dǎo)葉進(jìn)口處的壓力脈動(dòng)，而交錯(cuò)角1/4有利于減小導(dǎo)葉出口處的壓力脈動(dòng)。

圖16 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1和P2圖Fig.16 Monitor point P1 and P2

圖17 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P3和P4圖Fig.17 Monitor point P3 and P4

圖18為三種不同交錯(cuò)角在壓水室處內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見各監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要頻率為頻率5×fr的整數(shù)倍。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)：P53處的最大振幅最大，對(duì)應(yīng)頻率為5×fr；P51的最大振幅最小，對(duì)應(yīng)頻率為15×fr。P51處三者差異：在頻率5×fr處3/4的振幅小于另外兩個(gè)交錯(cuò)角；在頻率10×fr處：1/2的振幅最小、1/4最大、3/4居中；在頻率15×fr處：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P53：在頻率5×fr處振幅差異很小，在頻率10×fr和15×fr處：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P52和P54：在頻率5×fr處，3/4的振幅小于另外兩個(gè)交錯(cuò)角；在頻率10×fr和15×fr處：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。也就是說不同的交錯(cuò)角在壓水室內(nèi)產(chǎn)生不同的振幅，交錯(cuò)角3/4相對(duì)有利于減少壓水室內(nèi)的壓力脈動(dòng)。

圖19為三種不同交錯(cuò)角在前后腔室內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)頻域圖比較。圖中可見監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6處，三個(gè)交錯(cuò)角壓力脈動(dòng)最大振幅出現(xiàn)在不同頻率位置上：1/4位于頻率5×fr處、3/4位于頻率10×fr處、1/2位于頻率15× fr處。在頻率5×fr處：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。在頻率10×fr處：1/2振幅最小、1/4最大、3/4居中。在頻率15×fr處3/4的振幅小于其他兩個(gè)。在頻率20×fr處：3/4的振幅最小、1/4最大、1/2居中。在頻率25×fr處：1/2的振幅最小、3/4最大、1/4居中。在頻率30×fr處：1/2的振幅最小、1/4最大、3/4居中。監(jiān)測(cè)點(diǎn)P7在頻率5×fr處3/4的振幅小于其他兩個(gè)；在頻率10×fr處1/2的振幅大于其他兩個(gè)；在頻率15×fr處：1/4的振幅、3/4最大、1/2居中。也就是說不同的交錯(cuò)角在前后蓋板腔室內(nèi)產(chǎn)生了不同的振幅。交錯(cuò)角3/4相對(duì)有利于減少壓力脈動(dòng)。

圖18 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P51-P54圖Fig.18 Monitor points P51-P54

圖19 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P6和P7Fig.19 Monitor point P6 and P7

5.3 壓力脈動(dòng)差異分析

葉輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉效應(yīng)是引起泵壓力脈動(dòng)的一個(gè)主要因素，動(dòng)靜干涉引起壓力脈動(dòng)的頻率和振幅受到葉輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉葉片數(shù)的影響[17]。通過錯(cuò)列布置方式對(duì)葉片進(jìn)行交錯(cuò)可以改變導(dǎo)葉和葉輪葉片數(shù)匹配關(guān)系，從而改變泵內(nèi)的壓力脈動(dòng)[7-8]。本文得到的錯(cuò)列導(dǎo)葉下壓力脈動(dòng)的頻域圖顯示了錯(cuò)列導(dǎo)葉引起的壓力脈動(dòng)的頻率和振幅的不同。但是壓力脈動(dòng)的差異相對(duì)于錯(cuò)列葉片葉輪較小，也就是說通過改變靜止部件導(dǎo)葉的葉片數(shù)來改變動(dòng)靜葉片數(shù)的匹配關(guān)系，能夠降低壓力脈動(dòng)，但是效果不如改變旋轉(zhuǎn)部件明顯。圖20為導(dǎo)葉內(nèi)部的相對(duì)速度分布，各圖中左為導(dǎo)葉上半部分內(nèi)的速度分布，右為導(dǎo)葉下半部分內(nèi)的速度分布；從圖20中可以看出錯(cuò)列導(dǎo)葉與原始導(dǎo)葉的速度分布大體相同，區(qū)別在于錯(cuò)列導(dǎo)葉由于上下分成兩部分，速度呈現(xiàn)上下兩個(gè)環(huán)狀；各導(dǎo)葉內(nèi)部速度大小也不相同，但是差別很?。涣鲌?chǎng)的分布也說明壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出差別，但是差別很小。

圖20 導(dǎo)葉內(nèi)部相對(duì)速度分布圖Fig.20 Relative velocity distribution in diffuser

6 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法，研究了交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉對(duì)核主泵水力性能的影響。得到了水力性能曲線，軸向力曲線和壓力脈動(dòng)頻譜。通過分析得出以下結(jié)論：

1）效率曲線、揚(yáng)程曲線和功率曲線顯示了交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉對(duì)核主泵的影響。額定流量下交錯(cuò)葉片效率有所降低，但揚(yáng)程和功率差別非常小。交錯(cuò)葉片對(duì)總軸向力影響也很小。不同交錯(cuò)角的分析對(duì)比表明，交錯(cuò)角幾乎對(duì)水力性能和軸向力沒有影響。

2）交錯(cuò)葉片呈現(xiàn)了不同的壓力脈動(dòng)性能。相對(duì)原始導(dǎo)葉，交錯(cuò)葉片降低了葉輪內(nèi)低倍轉(zhuǎn)頻出的壓力脈動(dòng)振幅，但稍微增大了葉輪出口13×fr頻率處的振幅。交錯(cuò)葉片降低了導(dǎo)葉處5×fr和10×fr處的壓力脈動(dòng)幅值，降低了壓水室和前蓋板腔室內(nèi)5×fr處振幅，降低了后蓋板腔室內(nèi)的高倍轉(zhuǎn)頻的振幅。

3）不同交錯(cuò)角導(dǎo)致了不同的振幅。在葉輪中產(chǎn)生振幅差異較?。唤诲e(cuò)角3/4有利于減小導(dǎo)葉進(jìn)口、壓水室和前后蓋板腔室內(nèi)的壓力脈動(dòng)振幅，而交錯(cuò)角1/4有利于減小導(dǎo)葉出口的壓力脈動(dòng)。

總之交錯(cuò)葉片導(dǎo)葉相對(duì)原始導(dǎo)葉，其對(duì)核主泵水力性能和軸向力影響較小，主要影響壓力脈動(dòng)性能。交錯(cuò)葉片相對(duì)有助于降低壓力脈動(dòng)，交錯(cuò)角3/4是一個(gè)相對(duì)比較好的角度選擇。

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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 of?have 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

遼寧省科技創(chuàng)新重大項(xiàng)目“CAP1400屏蔽電機(jī)核主泵水力部分研制（項(xiàng)目編號(hào)：201410001）”的支持;國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973課題“大功率屏蔽式核主泵自主化形性協(xié)同制造原理（項(xiàng)目編號(hào)：2015CB057301）”的支持。

2016-09-20 遼寧 大連 116000