快堆一回路主循環鈉泵泵蓋傳熱數值模擬

徐鑫

（中國原子能科學研究院設計所 北京 102413）

一回路主循環鈉泵是快堆一回路主冷卻系統中的核心設備。一回路主循環鈉泵［1］因其流量較大，故而采取效率高、揚程大的機械泵［2］，它的主要作用是為冷卻劑的循環提供動力，進而將堆芯熱量排出，鈉泵下端的逆止閥、泵室、葉輪及部分主軸和泵殼浸沒在高溫的液鈉中，液鈉上表面覆蓋氬氣層，在氬氣層上部設置泵蓋，用來阻止反應堆內熱量散發，使反應堆外溫度控制在合理水平；同時，在反應堆外通過空氣的自然、強迫散熱和蒸餾水冷卻器對上部軸承油槽、雙端面密封［3］油槽的冷卻等措施，使鈉泵在堆容器外部的部件溫度處于合適水平。

整個鈉泵系統的熱源包括液鈉、被液鈉加熱而產生對流的氬氣、軸承和密封的損耗熱，轉動部件的攪拌損耗以及鈉的熱輻射。傳熱方式包括結構件內的熱傳導、氬氣與結構件的對流換熱及熱輻射。

鈉泵結構中的泵蓋和隔熱［4-6］板將鈉泵分成了高溫部分和低溫部分，其中，泵蓋起到了主要作用。泵蓋的隔熱設計是否成功將決定泵蓋上方部件的溫度水平，并進而影響軸封和上部軸承等結構的運行安全與壽命。本文采用CFD［7-9］方法對一回路主循環鈉泵進行溫度場計算，針對泵蓋溫度分布情況進行分析。

1 模型建立

鈉泵結構溫度場分析的有限元分析模型包括電機支架、泵蓋、隔熱板、泵體和主軸，如圖1所示。

圖1 鈉泵溫度場分析對象

2 網格與邊界條件

采用ANSYS Fluent Meshing 劃分多面體網格，網格應用了混合網格結構，總網格數量2066 萬，如圖2所示。

圖2 網格劃分

將空氣、氬氣與結構表面的接觸面設置為熱對流換熱邊界，同時，將堆容器外部空氣的溫度設為30℃，假設鈉液面上部氬氣溫度與鈉液以下的結構溫度設置相同。由于軸承和雙端面密封的損耗熱和冷卻系統帶走的熱量等數據暫時無法得到，假設兩者正好互相抵消，同時，假設多層隔熱板結構隔絕了鈉液面與泵蓋下表面間的熱輻射。

不同運行工況下，鈉泵所處的液鈉池溫度是不同的，見表1，作為完整的鈉泵溫度特性計算，需要對表1中的所有工況都進行計算。

表1 鈉泵溫度場分析工況表

鈉泵整體溫度場額定工況下邊界條件具體設置，自然對流的換熱系數一般為1～10W/m2·℃。泵蓋以上部件的散熱環境較好，但為使計算結果偏向于保守，這些部件與空氣接觸面的散熱系數取5W/m2·℃；泵蓋下表面與隔熱板間的氬氣層對流條件較差，將部件與氬氣接觸面的散熱系數也取5W/m2·℃；隔熱板以下的部件與氬氣接觸面的散熱系數取10W/m2·℃；液鈉浸沒區的溫度設為液鈉的溫度。強迫通風1000m3/h 的空氣，進風口空氣溫度為30℃。對于溫度場計算，其余工況的邊界條件差別僅在于鈉液和氬氣溫度，模型如圖3所示。

圖3 模型示意圖

3 計算結果分析

使用有限元分析軟件ANSYS 對上圖中的模型進行計算，得到設計工況下鈉泵的溫度場分布，如圖4至圖7所示。

圖4 0°截面溫度分布

圖6 截面溫度分布

圖7 截面溫度分布

從計算結果可知：鈉泵整體溫度如預期呈現出自下而上逐漸降低；主軸周向溫度分布均勻，在檢修密封處溫度74.5℃；泵蓋最高溫度220℃，出現在下表面，最低溫度32℃，出現在上表面，泵蓋起到了良好的隔熱效果，泵蓋上表面溫度低于45℃。

從結果來看，由于主軸與泵蓋不同心，同時為了穿過液位計、流量計、止回閥而在泵蓋上開了孔，并且這些開孔在周向分布是不均勻的，造成泵蓋在周向的溫度分布也不均勻，以圖5為例，泵蓋外徑側遠離出風孔的部位比靠近出風孔的部位溫度高約8℃，如圖7所示，主軸的溫度周向均勻性較好。

圖5 截面溫度分布

針對表2中4種工況分別做了計算，溫度分布規律與泵額定工況基本一致，具體數據見表2。

表2 各工況下溫度計算結果

4 結論

通過對快堆一回路主循環鈉泵及泵蓋進行傳熱數值模擬分析后，得出以下結論。

（1）鈉泵整體溫度呈現出自下而上逐漸降低，主軸軸向溫度分布均勻。

（2）各工況下，環境溫度30℃，泵蓋的強迫通風風量為1000m3/h，泵蓋上表面均溫度沒有超過安全準則要求溫度60℃，鈉泵泵蓋隔熱設計和風量選擇是合理的。