300MW轴流式核主泵模型内流测量方案探讨

文章编号:　1005—0329(2009)01—0020—04
300M W轴流式核主泵模型内流测量方案探讨
高　波,刘　栋,康　灿,杨敏官
(江苏大学,江苏镇江　212013)
摘　要:　核主泵是压水型反应堆核电站中的核心设备之一。

开展核主泵内部流场的实验研究,对泵水力部件优化设计、提高泵的性能、增强泵运行稳定性等有至关重要的作用。

为充分认识其内部流动的真实结构,拟采用目前较先进的非接触式光学流场测量仪器粒子图像速度场仪(P I V)对泵内流场进行测量。

针对300MW轴流式核主泵模型,设计了内流测量实验台,提出高温超高压系统的生成办法;认为运用进口窗和出口窗两种测量方案,可以实现包括叶轮、导叶、叶轮与导叶间隙等在内的全流道三维速度测量;给出窗口开设位置的确定方法,并提出解决叶片相互遮挡及测量同步性保证的方案。

为进行模型泵的实验研究提供参考。

关键词:　核主泵;测量;轴流式;P I V
中图分类号:　TH311 文献标识码:　A
Preli m i n ary Approach to I n terna l Flow M ea sure m en t Sche m e of300MW Ax i a l2flow
Nuclear Reactor Cool an t Pu m p M odel
G AO Bo,L IU Dong,K ANG Can,Y ANGM in2guan
(J iangsu University,Zhenjiang212013,China)
Abstract:　The nuclear react or coolant pump(RCP)is one of the core equi pments in P WR Nuclear Power Plant.Experi m ental research on internal fl ow in RCP p lays a great i m portant part in hydraulic op ti m izing design,pu mp perf or mance and operating sta2 bility.I n order t o realize the p ractical fl ow structure in the pu mp,Particle I m age Vel oci m etry(P I V)is used as the measuring de2 vice.Based on a300MW axial-fl ow RCP model,a measure ment test rig with high te mperature and ultra-high p ressure is de2 signed.T wo test sche mes,inlet-window and outlet-widow,are p r oposed.3D vel ocity measure ment method in whole fl ow pas2 sage is intr oduced,including that in i m peller,guide vanes and clearance bet w een the m.W indow positi ons have been confir med.
B lades overlapp ing and synchr onizati on measure ment s oluti ons are als o given.It is hel pful for the future experi m ents of the model pu mp.
Key words:　react or coolant pu mp;measure ment;axial2fl ow;P I V
1　前言
在压水型反应堆(P WR)核电站中,反应堆冷却剂循环泵(核主泵)用于驱动一回路冷却剂循环流动,连续不断地将堆芯中产生的热量传递给蒸汽发生器,产生的蒸汽通过二回路推动汽轮机组发电[1]。

该泵是核岛中唯一高速旋转的设备,是核电站的心脏,它的性能及运行可靠性直接影响到核电站的发电能力和安全。

由于核主泵工作环境和要求的特殊性,对其水力部件的优化设计以保证高效、稳定的运行特性显得格外重要,但这必须建立在充分认识泵内部流动结构基础之上。

目前对核主泵内部流场的实验研究,国内外未见相关报导。

因此,对核主泵内部流场进行测量,以获得泵内流场的详细信息的研究意义重大。

综合考虑目前流体机械内流测量手段,并本着尽量减小测量过程对泵内真实流场的干扰原则,本文拟采用先进的非接触式光学测量方法,以300MW轴流式核主泵模型为例,提出粒子图像速
收稿日期:　2008—05—20　修稿日期:　2008—07—07
基金项目:　江苏省普通高校研究生科研创新计划基金项目(CX07B-0932)
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度场仪(P I V )应用于轴流式核主泵模型内部流场的测量方案,为展开实验研究提供参考。

2　300MW 轴流式核主泵结构及模型换算
国内某厂为巴基斯坦恰希玛核电站设计制造
的核主泵,采用轴流式叶轮水力部件,结构如图1所示。

泵壳过流部件设计成环形压水室。

叶轮与泵壳间通过叶轮罩和导叶过渡,经过全流量四象
限性能试验,机组效率为80%[2]。

图1　轴流式核主泵水力部件结构示意
为减少实型泵试验成本,降低试验难度,运用泵的相似理论,在不影响内部流动结构的前提下,对实型泵进行相似换算,并对结构进行简化。

模型泵的实验结果可以换算到实型泵上,对实型泵的设计具有指导意义
[3]。

实型泵经相似换算后的模型泵部分参数见表1。

相似换算中假设模型与实型的效率相同。

表1　实型泵与模型泵部分参数参数实型泵模型泵扬程H (m )60
12.6
流量Q (m 3/h )168001609转速n (r/m in )14501450比转速n s 532530功率P (k W )450090叶轮外径D 2(
mm )
765
350
3　内流测量方案3.1　内流测量实验台
考虑核主泵的工作环境及P I V 测量要求,拟搭建的轴流式核主泵模型内流测量实验台如图2所示。

系统正常运行时内部压力达16MPa,温度280℃,流量1609m 3
/h,属高温超高压系统,制造具
有很大难度
[4]。

该系统应包括五部分:高温高压
生成系统、试验泵环路系统、控制及数据采集系
统、冷却系统及安全报警系统。

图2　内流测量实验台示意
高温高压生成系统包括压力容器(高压储液
罐)、电加热系统、温控系统、高压给水系统。

配合冷却系统,温控系统控制整个系统温度维持在设定值;试验泵回路系统按照设计压力,使用耐高温高压的钢制管路,采用特制的高压阀门及流量计;控制及数据采集系统包括泵运行控制,阀门开度,流量、扬程、温度、功率等参数的监视与记录;安全报警系统与控制系统相连,
能监测系统参数及时控制系统运行。

3.2　P I V 内流测量方案根据轴流泵叶轮、导叶结构以及P I V 对轴流泵内部流场的测量要求,按测量窗口设置位置不同,拟采用进口窗测量模式和出口窗测量模式等两种测量方案。

两种方案都需对模型泵的结构进行改造,都需在泵定、转子所对应的泵壳位置开设测量窗口。

窗口采用耐高温高压的玻璃,做成与泵壳曲率一致的形状,保证叶轮导叶内部流场不受干扰。

玻璃窗口与泵体之间采用螺钉联接。

3.2.1　进口窗测量方案
采用进口窗测量方案,需在泵进口弯管处开
设窗口如图3所示[5]
,方便片光入射或CCD 相机接收。

图3　轴向发射模式
1
22009年第37卷第1期 流　体　机　械
根据P I V 片光发射位置不同,进口窗测量又
可分为轴向发射和径向发射两种模式。

轴向发射模式中,P I V 片光源从进口段窗口轴向入射,照亮两相邻叶片间的区域;CCD 相机置于泵壳窗口相应位置,垂直于片光接收。

通过水平移动片光,照亮叶轮叶片、导叶、叶片与导叶间隙不同半径方向上的截面,可以获得轴向和切向二维速度场信息。

径向速度分量必须通过径向发射模式来获得。

这种模式下,模型泵的结构无需发生变化,只要改变片光源的发射和CCD 相机的接收位置如图4所示。

此时,片光源从泵壳窗口垂直于泵轴入射,上下移动便可照亮叶片及导叶的不同轴截面。

CCD 相机从进口窗口处拍摄图片,获得不同轴截面上的径向及切向速度分布结果。

图4　径向发射模式
结合轴向发射和径向发射模式下的测量结
果,就可以得到模型泵内的三维速度场分布。

3.2.2　
出口窗测量方案
图5　出口窗测量方案
该方案中另一个测量窗口开设于导叶后面的出水管处如图5所示,将光臂放入预先安置的沉槽中,片光通过沉槽射入内流场,照亮待测区域。

CCD 相机仍置于泵壳窗口相应位置。

通过水平移动片光源,照亮叶片间不同半径方向上的截面,获得不同截面上轴向和切向速度分量,但无法测量径向速度分量。

进口窗测量方案中对模型泵结构的改动较大,对泵内部流场的影响要稍大于出口窗测量方案;前者可以获得更丰富的三维速度信息,但在轴流泵内,径向速度分量很小,若暂不考虑径向分量,则后者具有优势。

对于泵壳内的流速及压力测量,可使用流体动力学探针,详细方法参考文献[6]。

4　测量关键问题及解决措施4.1　进口窗开设位置的确定
该窗口的作用有两个,一是通过该窗口射入片光,另一个是便于CCD 相机拍摄径向速度分量。

窗口的开设须考虑两方面的因素:
(1)为了避免开设窗口影响轴流泵进口流场,窗口应开设的远离泵的进口,且窗口应尽量小。

(2)片光是由一束激光通过柱面镜和球面镜后形成,该片光的能量最强处称作光腰,测量断面要位于光腰处,即球面镜的焦点处。

以TSI 公司生产的P I V 为例,具备的球面镜
有三种规格,按照焦距:分别为200、500和1000mm 。

综合以上两个因素,开设窗口的位置距
离最远测量区域的中心线为1000mm ,窗口宽度为70mm 。

根据这组参数,对窗口存在与不存在两种情况下的模型进行模拟计算,结果表明:测量窗口区域速度很小,可视为一死水区,对管内其它区域的流动影响并不明显。

在叶片进口区域,两种情况下的管内流动结构几乎相同,可见这组参数选择较合理。

4.2　叶片相互遮挡问题
由于轴流叶片及导叶都有较大的扭曲,且相互间形成遮挡,片光穿过叶片后,若叶片不透明,必然在其后形成一片无法照亮的测量盲区如图6所示,无法获得这个区域的流动信息。

为解决测量盲区问题,在满足强度要求的前
提下,将叶片用透明的材料制成。

但由于叶片及
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导叶具有一定叶栅稠密度,片光通过后其能量会衰减,表现为测量区域内的亮度不一,影响测量效果。

为此,改变泵内输送介质的折射率,即使用折射率匹配液,使得介质与叶片材料的折射率相同[7]
,片光照射后的效果如图7所示,可以避免光强差异问题。

图6　
测量盲区
图7　片光入射后效果
4.3　测量同步性保证
[8]
旋转流场测量的关键是要保证同步性,确保每次拍摄的都为同一个流道,这样才能获得轴流泵内部正确的流场分布。

实验过程中采用轴编码器和分频器两个附加的硬件来实现这一功能。

轴编码器的作用是向P I V 的同步器发送脉冲信号,从而让同步器准确地触发CCD 相机,获得同步的图像。

例如,轴每转一圈轴编码器发出500个脉冲,试验泵的转速是1450r/m in,CCD 相机捕捉图像的频率是4Hz,轴编码器发出的脉冲是远远大于CCD 的捕捉图像的频率的,还需对轴编码器发出的脉冲进行分频后再传给P I V 的同步器,这由分频器来实现。

分频器电路板的设计首先选择一个适当的分频数m 使得光电编码器发出的脉冲信号与相机的捕捉频率一致。

具体步骤如下:选择一个分频数
m ,使得轴编码器外部触发相机的脉冲数小于或等
于4,即:
500×1450
60m
≤4
考虑到分频电路的设计,这里取m =10000,通过两个十进制数计数器74LS390对轴编码器发出的信号进行10000(5×2×5×2×5×2×5×2)分频,从而满足外部触发信号的要求。

具体电路连线如图8所示。

图8　分频器电路
由前期离心泵内部流场的测试经验,该方案
能够很好地保证测量的同步性。

5　结语
在测量过程中,窗口开设位置确定,叶片间的相互遮挡及测量的同步性保证等都是影响测量结果的重要因素。

根据所选用的P I V 系统参数,结合试验模型可以计算出较合理的窗口开设位置;制作透明材质的叶片,利用折射率匹配液代替工作介质,可以较好地解决叶片相互遮挡问题;合适的分频电路设计完全能够满足P I V 对旋转流场测量的同步性要求。

文中给出的测量方案,为展开核主泵模型的内流测量工作打下基础。

两种测量方案仍存在一定的局限性,测量效果尚需在测量过程中进一步完善。

参考文献
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(下转第5页)
降了18.5%。

当系统在最大负荷工况下运行时
,由于蒸发温度相对于名义工况大大提高,所以系统CO P h 值也有一定的提高。

如在气体冷却器出水温度为55℃时,系统CO P h 值相比于名义工况时提高了11.3%,达到了3.85;出水温度65℃时,系统CO P h 值也提高了13.58%,达到3.68。

由此可见,适当提高蒸发温度可以提高系统的性能系数。

图9　最大负荷工况CO P h
4　结论
(1)根据实验结果拟合出压缩机的等熵效率
和容积效率公式;
(2)当压缩机吸气压力为4.0MPa,吸气过热度15℃,气体冷却器出口温度25℃时,压缩机制热量在58～65k W 之间,制冷量在49～52k W 之间,而且随压比的增加先增加后减小,而系统制热量与制冷量随压比增加均呈上升趋势;
(3)按照“一次加热”方式对热泵进行实验。

在名义工况下,当出水温度分别为55℃和85℃时,热泵系统制热系数CO P h 值分别为3.46、2.82;而在最大负荷工况时,制热系数CO P h 都有10%以上的提高;
(4)在进行“一次加热”实验时,系统性能系数随着气体冷却器出水温度的升高而降低,但却随着蒸发器进水温度的升高而升高;
(5)冷却水进水温度越高,热泵系统效率越低,因此热泵热水器系统更适合于“一次加热”供水系统。

参考文献
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作者简介:崔晓龙(19742),男,博士,主要从事制冷与跨临界
CO 2压缩机及其热泵技术的研究,通讯地址:510280广东广州市
海珠区江燕路268号广州万宝集团技术中心。

(上接第23页)
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作者简介:高波(19832),男,博士研究生,主要从事流体机械性能及内部多相流动的研究,通讯地址:212013江苏镇江市江苏大学能源与动力工程学院。