泵熱沖擊特性測試平臺研制及數值分析

崔華年，余曉明，王義姚

（上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

泵是輸送液體或使液體增壓的通用機械設備。它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送包括水、油和液態金屬等液體，也可輸送氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。同時，泵的工作環境也多樣復雜，所輸送的工質溫度既有常溫，也有低溫或高溫甚至瞬態大溫差聚變等。特別是在各類特殊工況條件下，泵運行的安全性和可靠性顯得尤為重要。

常規的泵測試平臺只能測試泵的常規性能，一般不考慮泵工作環境的復雜性。本文主要有針對性地研究泵所輸送的流體介質溫度瞬態聚變對泵性能的影響，并完成關鍵部位的數值模擬分析。

1 系統設計

由于目前核安全級泵工況復雜，一般的泵測試系統無法滿足測試要求。為了提高泵的可靠性與安全性，需要對其做高、低溫瞬態聚變工況下的熱沖擊試驗。被測試泵的最大試驗流量為1 050 m·h，最高設計溫度為210 ℃，最大測試功率為500 kW。

測試平臺管路如圖1所示。該系統包括制冷系統、制熱系統、穩壓系統、控制系統、補水系統等。其中，制冷系統是為了制得被測泵在低溫下運行所需的7 ℃冷水；制熱系統是用來制得熱沖擊所需高溫熱水；穩壓系統是用來確保系統制得的熱水在高溫下仍為液態；控制系統是為了快速、精確地控制閥門等設備，確保滿足試驗條件；補水系統是用來補充試驗所需的水量。整個試驗回路要完成泵性能測試、熱沖擊測試。試驗臺的全部過流部件均為1Crl8Ni9Ti不銹鋼。熱水罐選用碳鋼殼體不銹鋼襯里，閥門、流量計、熱水泵、冷水泵及與回路相連的管路材料選用不銹鋼。試驗回路嚴格按照鋼制壓力容器進行設計、制造、檢驗及驗收。

圖1 測試平臺管路Fig.1 Pipeline circuit of the test bench

1.1 系統注水

手動開啟系統中所有手動操作閥門，并開啟系統中氣動閥門；手動啟動補水泵，當膨脹槽上的液位傳感器檢測到實際液位達到設定水位時，停止補水泵，并關閉補水泵處的閥門和系統中的排氣閥。

1.2 測試泵試運行

通過控制系統調節閥VT04的A向全閉，閥門VT02的B向全開、A向全閉，閥門VT05全閉，閥門VT06、VT03、VT01、V01、V02全開。啟動被測試泵，調節閥門VT01使泵的流量達到1 050 m·h，并記錄VT01閥門開度。被測試泵試運行一段時間后，手動停止被測試泵測試運行過程。

開啟氮氣瓶排氣閥門，使得測試系統壓力達到1.2 MPa。調節控制系統使三通閥VT02的B向全關，閥門VT03關閉。手動開啟閥門V03、V04、V05。啟動熱水循環泵，開啟電加熱器。

1.3 冷水系統啟動

開啟閥門V08、V10、V12，關閉閥門V11，調節控制系統關閉閥門VT05，閥門VT04的A向全閉、B向全開。開啟冷凍水循環泵，啟動冷凍機。當溫度傳感器測得的水溫為7 ℃時，關閉閥門V10、V12，開啟閥門V11，為熱沖擊作準備。

1.4 準備熱沖擊

調節控制系統使閥門VT05全開，閥門VT06關閉，閥門VT02的A向全開，閥門VT01開度和被測試泵試運行時的開度保持相同，閥門VT04的B向全開，A向開度由溫控器TET01控制，確保循環管路的水溫為7 ℃。啟動被測試泵，當溫度傳感器測得循環水溫為7 ℃時，調節控制系統使閥門VT04的A向全閉，B向全開，閥門VT05全閉，閥門VT06開啟，被測試泵在7 ℃水環境下運行，為熱沖擊作準備。7 ℃冷水循環如圖2粗實線所示。

圖2 熱沖擊準備前7 ℃冷水循環回路Fig.2 Circulation loop of 7 ℃ cold water prior to the preparation of thermal shock

1.5 開始熱沖擊

待被測試泵在熱沖擊準備過程平穩運行后，開啟閥門V02，通過控制系統開啟閥門VT03，開始熱沖擊。調節控制系統使閥門VT02的B向開度由模擬量控制，且受控于被測試泵的入口水溫（TET02），使水溫穩定在120 ℃。閥門VT01的開度與被測試泵試運行時的開度相同，使流量穩定在1 050 m·h。系統回路流動如圖3粗實線所示。

圖3 熱沖擊循環回路Fig.3 Circulation loop of the thermal shock

1.6 120 ℃水4 h平穩運行

當控制系統檢測到1 min內被測試泵入口水溫維持在120 ℃后，閥門VT02的B向全關，閥門VT03全閉。調節控制系統使閥門VT05全開，閥門VT04的A向開度由模擬量控制，且受控于被測試泵入口水溫，以使入口水溫穩定在120 ℃。運行循環如圖4粗實線所示。

圖4 120 ℃水4 h運行回路Fig.4 4-hour operation circuit of 120 ℃ water

閥門VT04的A向開度由控制系統根據被測試泵入口水溫預設的降溫速率0.25 ℃·min的模擬量控制，從而對120 ℃高溫水回路勻速降溫，在4 h內將被測試泵入口水溫由120 ℃降至60 ℃。閥門VT04的A向開度由被測試泵入口水溫模擬量控制，以使泵入口水溫穩定在60 ℃，然后開始進行被測試泵的性能試驗。

被測試泵的性能測試試驗完畢后，關閉被測試泵，關閉制冷系統和制熱系統，閥門VT05關閉，閥門VT04的A向關閉。被測試泵入口三通是分別連接高、低溫水回路的關鍵節點。進行熱沖擊時，由高、低溫水調節閥分別控制高、低溫水回路的流量，170 ℃高溫水與7 ℃的低溫水由三通進行混合，使被測試泵入口溫度由低溫狀態在數秒內上升至120 ℃高溫狀態，完成熱沖擊試驗。

2 數值模擬分析

2.1 三通模型建立

本試驗系統設計方案與被測試泵入口直接采用三通調節閥的設計方案相比，能夠避免三通調節閥在數秒內直接承受近170 ℃溫差的瞬態熱沖擊，高溫水需經過一個循環后才回到三通調節閥。三通調節閥從7 ℃上升到120 ℃所需總時間為13.03 s。可見，本設計方案中三通調節閥閥芯受到的熱沖擊遠小于直接采用三通調節閥的設計方案中受到的熱沖擊，有利于保證三通調節閥的穩定運行和使用壽命。圖5為初步建立的測試系統關鍵節點——被測試泵入口三通管段。采用結構化網格劃分方式，完成后的結構化網格如圖6所示。

圖5 三通管段三維計算模型Fig.5 Three-dimensional model of tee pipe

圖6 結構化網格Fig.6 Structured meshing

2.2 模擬結果與分析

由泵測試規范可知，泵入口前測量截面處的流動條件應盡量符合軸對稱速度分布、等靜壓分布以及無因裝置引起的渦流，因此泵入口前的直管道長度應滿足一定的條件。本文中分別在三通管至水泵距離為5D（D為三通管管徑）、10D時進行模擬計算。

2.2.1 三通管至水泵距離為5D時

首先初步假定系統關鍵節點——三通管段至被測泵入口測量截面的直管距離5D。X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場以及熱沖擊后不同時刻的溫度場分別如圖7～8所示。

圖7 X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場（5D）Fig.7 Temperature and velocity field at 0.5 s before the thermal shock on X-Z surface（5D）

在熱沖擊前0.5 s，泵入口前測量截面處的流動條件符合軸對稱速度分布、等靜壓分布，且無因裝置引起的渦流，因此，在熱沖擊準備時，7 ℃冷水在循環管路內是定常流動。

0.5 s后開始熱沖擊。由圖8（c）～（f）可知，在熱沖擊開始3.5 s后，泵入口前測量截面處的溫度場分布已不再變化，溫度場已趨于穩態，但在測量截面處溫度已大大高于熱沖擊試驗所要求的120 ℃。

圖8 X?Z面熱沖擊后不同時刻的溫度場（5D）Fig.8 Temperature field at different time after the thermal shock on X-Z surface（5D）

2.2.2 三通管至水泵距離為10D時

由于初步建立的計算模型中所假定系統關鍵節點至泵入口前測量截面處的直管距離為5D，并未考慮泵性能試驗標準相關技術條件，因此再次設定系統關鍵節點至泵入口測量截面的直管距離為10D。圖9～13均為采用重建后的三維計算模型所得到的模擬結果。

圖9 X?Z面熱沖擊前0.5 s溫度場、速度場（10D）Fig.9 Temperature and velocity field at 0.5 s before the thermal shock on X-Z surface（10D）

由圖11～13中可知，在熱沖擊開始3.5 s后，三通管出口截面處的溫度場、速度場及靜壓場分布已基本趨于穩態，三通管出口截面處平均計算溫度已達到要求。

圖10 X?Z面熱沖擊前1.5 s靜壓場、溫度場（10D）Fig.10 Static pressure and temperature field at 1.5 s before the thermal shock on X-Z surface（10D）

圖11 X?Z面熱沖擊后不同時刻的溫度場（10D）Fig.11 Temperature field at different time after the thermal shock on X-Z surface（10D）

圖12 X?Z面熱沖擊開始4.5 s速度場Fig.12 Velocity field at 4.5 s after the thermal shock on X-Z surface

圖13 X?Z面熱沖擊后不同時刻的靜壓場（10D）Fig.13 Static pressure field at different time after the thermal shock on X-Z surface（10D）

管內流動狀態也符合泵試驗標準所規定的泵入口前測量截面處應盡量符合軸對稱速度分布的流動條件，而同時可以看到，測量截面處無因裝置引起的渦流，基本處于等靜壓分布狀態，所以泵入口前測量截面處的溫度場、速度場和壓力場均已滿足高低溫熱沖擊特性測試要求。

3 結 論

由于水泵應用在工業系統的不同場合，其所處環境也各不相同，特別是當應用在核能發電系統中時，泵的工作環境尤為惡劣，需要經受高溫熱沖擊，因此有必要進行高低溫瞬態特性測試。

本文針對熱沖擊測試平臺進行了設計，參考泵相關標準和規定，提出了一套可行的測試平臺設計方案，以滿足泵的不同性能試驗的要求。

對被測試泵進口關鍵節點三通管至被測試泵進口前測量截面處之間的溫度場、速度場、靜壓場進行了數值模擬，為合理設計關鍵節點相關技術參數，以及滿足測試條件提供參考，從而使測量儀器能夠準確測量泵入口水溫是否能夠在要求時間內從低溫狀態瞬間達到試驗所要求的高溫狀態。研究成果可為水泵在特殊環境下運行提供參考。