俄羅斯鉛基軸流泵過流部件的研究概況

婁芮凡 李娜 張超 何子慶

摘 要：鉛基反應堆裝置為池式結構，其冷卻劑的特點為密度大、溫度高且對結構材料磨蝕嚴重等、所以鉛基反應堆裝置冷卻劑在鉛池內的流速慢且流量大，因此需要一種低揚程、大流量、結構簡單、重量輕、安裝靈活的軸流泵。以確保裝置內冷卻劑的流動。本文就是對俄羅斯在研究設計鉛基堆主軸流泵過流部件的大致方向和已取得的一些成果進行簡要闡述。

關鍵詞：鉛基反應堆;軸流泵;過流部件

1 鉛基介質概述

核反應堆回路的性能和可靠性很大一部分都取決于其主泵的性能。而鉛基金屬泵則是要能在有特殊物理化學性質的鉛基液態金屬中穩定且高效地運行。鉛基冷卻劑在工作溫度下的飽和蒸汽壓為10-18atm-10-8atm，其本身的氧化能力和腐蝕特性與水和鈉有很大不同，鉛基冷卻劑的工作溫度與沸點相差近1000℃，密度大（流動慣性力大），表面張力比水大，在350℃時約為400N/m，對結構鋼有不可浸潤性，在氬氣環境下浸潤角約為110°-120°，在一定條件下會生成氧化物，在400℃時運動粘度比水大，約為20.99×10-8m2/s，導熱系數在400℃是約為16.58Wt/m K，高于水卻低于鈉。

以上的一切特征都極大地改變了泵出過程的特征。但可以肯定的是，基本的物理定律適用于所有的非牛頓液體，不管是鉛基液態金屬還是水。只是在計算的過程中使用水泵設計的經驗或是半經驗方法來計算鉛基泵就是不適用的。

以上結論得到了俄羅斯船用鉛鉍核動力裝置運行和鉛冷卻劑泵試驗的數據支持。

2 鉛基軸流泵特點介紹

俄羅斯計劃2030年前設計建造一座鉛冷快堆，即SREST-OD-300。該反應堆使用的是軸流泵，該泵的作用主要是在運行時將流體進行擴散，保證鉛基池中的冷卻劑可以低速循環。但是擴散冷卻劑的過程中軸流泵體不穩定，而且由于反應堆是池式結構，泵由法蘭固定于鉛基池頂蓋所以泵體比較長，轉動過程中更容易失穩，為了讓其穩定運行需要對過流部進行改造，但是改造后的結構會讓介質在葉片表面附近的速度，方向和受力發生變化，從而導致過流區特性下降和葉片受到磨損和侵蝕。

在俄羅斯NGTW大學FT-4裝置上運行測試的SREST-OD-300小型模擬主泵在試驗中應用傳統水泵方式設計的葉輪進行測試，發現在運行（200-400）h的時候葉輪就會出現或大或小的磨蝕。有時顯示實際壓頭與流量的不匹配，這表明其中發生了很多與水介質不一樣的現象。

3 軸流泵葉片的結構簡介

軸流泵葉片截面為翼型結構結構，如圖1所示，

如圖骨架線與前后交點的連線長度為葉片的翼展長l，繞度為f、厚度為s，葉片圓周速度u與骨架線的切線所夾的角為β1和β2，速度ωcp與葉片弦l之間的夾角為沖角δ、安放角為α。流體相對速度為ωcp，如圖2速度三角形所示，其大小和方向為：

4 對鉛基泵過流部的研究目標和方向

由于上述的原因，需要對鉛基泵的過流部件進行多方面的實驗研究。該工作的主要方向是：

a. 研究葉片系統的特性與葉片安裝角度的關系;

b. 葉片幾何形態（彎曲度）與葉輪系統特性的關系;

c. 對鉛基泵““氣蝕””現象進行定義和研究。

以此為依據對鉛基軸流泵的葉輪進行設計開發，以保證其在鉛基堆中穩定高效的運行。

5 研究結果闡述

5.1 葉輪系統特性研究

試驗葉輪分為6個葉片和4個葉片兩大類，葉輪安裝的葉片安放角分為9°、15°、22°、28°和35°，轉速分為600、700、800、900、1000、1100r/min，介質溫度為400-450℃，氧活性大于10-5以確保在過流部件中生成氧化層。

經過試驗發現4個葉片的葉輪當安放角為22°時輸運鉛基冷卻劑的能力最優，如當轉速為1100r/min時壓頭為0.8m CT.Pb，流量為172m?/h。其余的安放角條件下最大壓頭為0.58M CT.Pb，最大流量為146 m?/h。

當選用6個葉片的葉輪時，安放角為28°時輸運鉛基冷卻劑的能力最優，即當轉速為1100r/min時壓頭為0.73m CT.Pb，流量為177m?/h。

試驗結果如圖3還表明泵的壓頭與葉輪葉片數無關于葉片安放角有關。即4個葉片的葉輪的最佳安放角比6個葉片的葉輪的最佳安放角小5°-10°。

不管是六個葉片的葉輪還是四個葉片的葉輪，在其它條件都基本相同時，當其轉速由600r/min提高到1000r/min時，流量和壓頭都會隨轉速的增加而平穩增加，但當轉速由1000r/min提高到1100r/min時該泵的流量和壓頭會突然大幅度上升。

另外再設計葉片時除了安放角還需要考慮葉片的彎曲度，即葉片自身的幾何形狀，如圖4所示

經試驗研究后得出的結論是對于所有轉速下對葉片前端1/3處進行彎曲都會提升泵的性能，只是對不同的葉片安放角所對應的最優彎曲度是不同的。

5.2泵導流部件的研究

導流件的安裝是為了矯正和改良軸流泵葉輪后的介質流場，提高軸流泵工作時的整體穩定性。如圖5所示。

在試驗過程中改變轉速，改變導流件的入口角度，測試泵的流量、壓頭和效率。試驗發現對于該實驗泵在600r/min-1000r/min的轉速范圍內壓頭與導流件的入口角度無關。另外，在700r/min-1100r/min的轉速時該泵的效率與導流件的入口角度基本無關，這些都與水泵的設計理論完全不同，需要進一步的研究以開發鉛基軸流泵的最優設計方案。

5.3 泵“氣蝕”的特性研究

另外，在試驗過程中發現在440℃-550℃的溫度下，當該軸流泵的轉速提高到1400r/min時，即當流速在超過14m/s時，該實驗泵開始出現”氣蝕”現象。

經研究分析得出高溫鉛基金屬冷卻劑的物理性質與傳統的水大不相同，鉛基冷卻劑分子與氧化鋼表面的分子作用力遠小于鉛基冷卻劑分子間的相互作用力，表現為鉛基冷卻劑不會對鋼結構表面進行浸潤，泵葉輪高速轉動時，在表面張力、重力、壓力等作用下，鉛基冷卻劑在流動過程中會局部收縮形成渦旋并從結構鋼表面脫落形成連續的壓力脈沖，同時在運輸過程中由于局部壓力的變化沖擊過流部件，從而使泵的結構遭到侵蝕和破壞。如圖6所示。

6 總結

文章對俄羅斯鉛基軸流泵的葉輪，導流件和“汽蝕”現象的研究方向和進展進行了梳理，發現由于鉛基介質與水和鈉在物理和化學性質上存在這本質的不同，所以在對于軸流泵的過流部在進行優化設計的時候會有與水，鈉泵完全不同的方法。而以上所介紹的研究實驗方法則是為了能最終確定一套鉛基軸流泵的設計方法。

作者簡介：

婁芮凡（1992.08—），男，四川成都人，碩士研究生，助理工程師，熱工水力研究方向。

（中國核動力研究設計院，四川 成都 610015）