核電廠上充泵葉輪加工偏差對其流動性能的影響研究

楊雁宇，王銘昌，祖 帥，何升亮，費鑫鑫，車銀輝

（陽江核電有限公司，廣東陽江 529500）

0 引言

上充泵是核電廠最關鍵的動力設備之一，擔任向主泵軸封供水、化容系統容積控制的補水、高壓安注系統故障時的供水等重要任務[1]。上充泵在接到啟動信號后，需立即投入運行，其軸承需要具備不預潤滑啟動的功能[2]。

某1000 MW 壓水堆核電廠選用法國幾納公司生產的上充泵，為臥式雙殼體12 級離心泵，半抽芯結構，主要由葉輪、導葉、泵軸、機械密封、滑動推力軸承、2 道水潤滑導軸承、泵蓋等部件組成，也稱為一端封閉型上充泵（圖1）。上充泵1～4 級葉輪朝吸入口正向布置，5～12 級葉輪反向布置，正向布置葉輪軸向力同封閉端高壓水作用力之和，與反向葉輪軸向力相平衡，殘余軸向力由推力軸承承受[3-4]。葉輪卡環為分半式，配對安裝在泵軸相應的卡環槽內，與相應的葉輪起定位和固定的作用。

圖1 一端封閉型上充泵結構示意

上充泵首級葉輪卡環斷裂，會導致葉輪失去支撐，進而造成設備損壞。針對上充泵葉輪卡環斷裂的影響因素開展分析研究，研究結果對提升上充泵可靠性具有重要意義。

1 首級葉輪卡環斷裂分析

上充泵首級葉輪卡環安裝位置如圖2所示。斷裂卡環驅動側宏觀形貌如圖3 所示，其表面存在圓周方向的磨損凹陷痕跡。卡環斷口可見疲勞擴展痕跡，為典型的疲勞斷口，根據收斂方向，源區位于軸肩側接觸磨損面。

圖2 首級葉輪卡環安裝位置

圖3 首級葉輪卡環斷裂形貌（驅動側）

從首級葉輪卡環材料成分、表面硬度、設計強度、運行環境以及首級葉輪制造工藝等方面開展分析。檢修歷史數據表明，首級葉輪輪轂內和軸表面均存在微動磨損現象，造成卡環斷裂應與首級葉輪制造工藝偏差有關：葉輪水力中心存在制造偏差和葉輪表面粗糙度過大（圖4）。分析首級葉輪卡環斷裂過程為：在小流量工況下，首級葉輪流態不穩定，易對在間隙裝配工藝的部件發生微動磨損，疊加首輪葉輪存在制造偏差，會加重葉輪流場不穩定性，加快卡環微動磨損速率，從而引起卡環微動疲勞損傷（圖5）。

圖4 首級葉輪表面加工形貌

圖5 首級葉輪卡環斷裂過程示意

2 葉輪內部流態數值分析

葉輪加工偏差對于上充泵流動性能的影響作用尚不清楚。借助大型數值模擬商業軟件[5-6]，以上充泵首級葉輪為研究對象，探討葉輪加工偏差對上充泵葉輪內部流態性能的影響規律，對上充泵檢修維護及葉輪備件日常管理具有實際指導意義。

2.1 粗糙度對葉輪內部流態的影響

上充泵日常運行性能參數為：流量Q=34 m3/h，揚程H＝100 m，葉輪轉速n＝4480 r/min，葉輪葉片數Z=5，按照1:1 比例建立上充泵首級葉輪三維水力模型。應用前處理軟件對模型進行網格劃分，采用適應性較強的四面體非結構化網格，總網格數為50 000。基于壓力求解器，使用SIMPLE 壓力-速度耦合法求解各個控制方程。湍流模型選擇Standard k-e model 模型。

2.1.1 粗糙度對應揚程的影響分析

表1 為粗糙度對上充泵首級葉輪揚程的影響分析結果。隨著葉輪表面粗糙度的增加，首級葉輪的出口揚程在減小，在絕對數值上粗糙度的增加對于葉輪出口揚程的影響較小。

表1 不同粗糙度對揚程影響的分析結果

2.1.2 粗糙度對應葉輪空化的影響分析

圖6 為不同葉輪表面粗糙度的空泡云圖，可以看出：在小流量工況下，空泡聚集在葉片入口處，但粗糙度對于葉輪空化程度影響較小。

圖6 不同粗糙度對應氣體體積分數分布

2.1.3 粗糙度對應速度場的影響分析

圖7 為首級葉輪流道內速度場分布，可以看出：流體速度分布沿葉輪徑向總體呈均勻增大趨勢，粗糙度對于葉輪流道速度分布影響較小。

圖7 不同粗糙度對應速度場分布

2.1.4 粗糙度對應湍動能的影響分析

圖8 為葉輪流道內湍動能分布，沿葉輪旋轉方向且靠近隔舌處的區域內湍動能分布極不均勻，存在局部高湍動能區。因此得出：粗糙度對于葉輪流道內湍動能分布影響較大。

2.2 水力中心偏差對葉輪內部流態的影響

由于首級葉輪前后蓋板的加工偏差，會導致葉輪出口被遮擋，選擇首級葉輪水力中心被遮斷為1 mm 和3 mm 開展流態性能影響分析。

2.2.1 水力中心偏差對揚程的影響分析

表2 為水力中心偏差對上充泵首級葉輪揚程的影響分析結果。隨著水力中心偏差增加，對葉輪出口揚程和效率的影響較大。

表2 水力中心偏差對揚程影響的分析結果

2.2.2 水力中心偏差對應葉輪空化影響分析

圖9 為水力中心偏差下的空泡云圖，可以看出：在小流量工況下，粗糙度疊加水力中心偏差對于葉輪空化程度影響較小。

圖9 水力中心偏差對應氣體體積分數分布

2.2.3 水力中心偏差對應速度場影響分析

圖10 為水力中心偏差下的首級葉輪流道內速度場分布，可以看出水力中心偏差增大會導致葉輪徑向出口速度分布不穩定。

圖10 水力中心偏差對應速度場分布

2.2.4 水力中心偏差對應湍動能影響分析

圖11 為水力中心偏差下葉輪流道內湍動能分布，可以看出：在小流量工況下，粗糙度疊加水力中心偏差，對于沿葉輪旋轉方向且靠近隔舌處的區域內湍動能影響較大。

圖11 水力中心偏差對應湍動能分布

3 計算結果分析

在小流量工況下，上充泵首級葉輪流道進口處會發生空化現象，會引起首級葉輪發生微動磨損。不同的葉輪表面粗糙度對泵空化、流速分布及湍動能分布影響程度較小。但上充泵首級葉輪出口與導葉進口的水力中心存在偏差時，疊加粗糙度增大，對于沿葉輪旋轉方向且靠近隔舌處的區域內湍動能影響較大，會進一步惡化首級葉輪微動磨損程度。因此，對于上充泵首級葉輪表面粗糙度應控制0.05 mm 以下，以及出口水力寬度偏差控制在1 mm 以內，確保葉輪流道出口的湍動能分布均勻性。

4 結束語

針對上充泵首級葉輪卡環多次發生斷裂現狀，分析影響葉輪卡環加速微動疲勞斷裂的各種因素。通過建立上充泵首級葉輪水力模型，明確葉輪加工偏差對葉輪內部流動性能的影響規律，對于上充泵首級葉輪備件采購和檢修維護具有重要的指導意義。