杨雁宇，王铭昌，祖 帅，何升亮，费鑫鑫，车银辉

（阳江核电有限公司，广东阳江 529500）

0 引言

上充泵是核电厂最关键的动力设备之一，担任向主泵轴封供水、化容系统容积控制的补水、高压安注系统故障时的供水等重要任务[1]。上充泵在接到启动信号后，需立即投入运行，其轴承需要具备不预润滑启动的功能[2]。

某1000 MW 压水堆核电厂选用法国几纳公司生产的上充泵，为卧式双壳体12 级离心泵，半抽芯结构，主要由叶轮、导叶、泵轴、机械密封、滑动推力轴承、2 道水润滑导轴承、泵盖等部件组成，也称为一端封闭型上充泵（图1）。上充泵1～4 级叶轮朝吸入口正向布置，5～12 级叶轮反向布置，正向布置叶轮轴向力同封闭端高压水作用力之和，与反向叶轮轴向力相平衡，残余轴向力由推力轴承承受[3-4]。叶轮卡环为分半式，配对安装在泵轴相应的卡环槽内，与相应的叶轮起定位和固定的作用。

图1 一端封闭型上充泵结构示意

上充泵首级叶轮卡环断裂，会导致叶轮失去支撑，进而造成设备损坏。针对上充泵叶轮卡环断裂的影响因素开展分析研究，研究结果对提升上充泵可靠性具有重要意义。

1 首级叶轮卡环断裂分析

上充泵首级叶轮卡环安装位置如图2所示。断裂卡环驱动侧宏观形貌如图3 所示，其表面存在圆周方向的磨损凹陷痕迹。卡环断口可见疲劳扩展痕迹，为典型的疲劳断口，根据收敛方向，源区位于轴肩侧接触磨损面。

图2 首级叶轮卡环安装位置

图3 首级叶轮卡环断裂形貌（驱动侧）

从首级叶轮卡环材料成分、表面硬度、设计强度、运行环境以及首级叶轮制造工艺等方面开展分析。检修历史数据表明，首级叶轮轮毂内和轴表面均存在微动磨损现象，造成卡环断裂应与首级叶轮制造工艺偏差有关：叶轮水力中心存在制造偏差和叶轮表面粗糙度过大（图4）。分析首级叶轮卡环断裂过程为：在小流量工况下，首级叶轮流态不稳定，易对在间隙装配工艺的部件发生微动磨损，叠加首轮叶轮存在制造偏差，会加重叶轮流场不稳定性，加快卡环微动磨损速率，从而引起卡环微动疲劳损伤（图5）。

图4 首级叶轮表面加工形貌

图5 首级叶轮卡环断裂过程示意

2 叶轮内部流态数值分析

叶轮加工偏差对于上充泵流动性能的影响作用尚不清楚。借助大型数值模拟商业软件[5-6]，以上充泵首级叶轮为研究对象，探讨叶轮加工偏差对上充泵叶轮内部流态性能的影响规律，对上充泵检修维护及叶轮备件日常管理具有实际指导意义。

2.1 粗糙度对叶轮内部流态的影响

上充泵日常运行性能参数为：流量Q=34 m3/h，扬程H＝100 m，叶轮转速n＝4480 r/min，叶轮叶片数Z=5，按照1:1 比例建立上充泵首级叶轮三维水力模型。应用前处理软件对模型进行网格划分，采用适应性较强的四面体非结构化网格，总网格数为50 000。基于压力求解器，使用SIMPLE 压力-速度耦合法求解各个控制方程。湍流模型选择Standard k-e model 模型。

2.1.1 粗糙度对应扬程的影响分析

表1 为粗糙度对上充泵首级叶轮扬程的影响分析结果。随着叶轮表面粗糙度的增加，首级叶轮的出口扬程在减小，在绝对数值上粗糙度的增加对于叶轮出口扬程的影响较小。

表1 不同粗糙度对扬程影响的分析结果

2.1.2 粗糙度对应叶轮空化的影响分析

图6 为不同叶轮表面粗糙度的空泡云图，可以看出：在小流量工况下，空泡聚集在叶片入口处，但粗糙度对于叶轮空化程度影响较小。

图6 不同粗糙度对应气体体积分数分布

2.1.3 粗糙度对应速度场的影响分析

图7 为首级叶轮流道内速度场分布，可以看出：流体速度分布沿叶轮径向总体呈均匀增大趋势，粗糙度对于叶轮流道速度分布影响较小。

图7 不同粗糙度对应速度场分布

2.1.4 粗糙度对应湍动能的影响分析

图8 为叶轮流道内湍动能分布，沿叶轮旋转方向且靠近隔舌处的区域内湍动能分布极不均匀，存在局部高湍动能区。因此得出：粗糙度对于叶轮流道内湍动能分布影响较大。

2.2 水力中心偏差对叶轮内部流态的影响

由于首级叶轮前后盖板的加工偏差，会导致叶轮出口被遮挡，选择首级叶轮水力中心被遮断为1 mm 和3 mm 开展流态性能影响分析。

2.2.1 水力中心偏差对扬程的影响分析

表2 为水力中心偏差对上充泵首级叶轮扬程的影响分析结果。随着水力中心偏差增加，对叶轮出口扬程和效率的影响较大。

表2 水力中心偏差对扬程影响的分析结果

2.2.2 水力中心偏差对应叶轮空化影响分析

图9 为水力中心偏差下的空泡云图，可以看出：在小流量工况下，粗糙度叠加水力中心偏差对于叶轮空化程度影响较小。

图9 水力中心偏差对应气体体积分数分布

2.2.3 水力中心偏差对应速度场影响分析

图10 为水力中心偏差下的首级叶轮流道内速度场分布，可以看出水力中心偏差增大会导致叶轮径向出口速度分布不稳定。

图10 水力中心偏差对应速度场分布

2.2.4 水力中心偏差对应湍动能影响分析

图11 为水力中心偏差下叶轮流道内湍动能分布，可以看出：在小流量工况下，粗糙度叠加水力中心偏差，对于沿叶轮旋转方向且靠近隔舌处的区域内湍动能影响较大。

图11 水力中心偏差对应湍动能分布

3 计算结果分析

在小流量工况下，上充泵首级叶轮流道进口处会发生空化现象，会引起首级叶轮发生微动磨损。不同的叶轮表面粗糙度对泵空化、流速分布及湍动能分布影响程度较小。但上充泵首级叶轮出口与导叶进口的水力中心存在偏差时，叠加粗糙度增大，对于沿叶轮旋转方向且靠近隔舌处的区域内湍动能影响较大，会进一步恶化首级叶轮微动磨损程度。因此，对于上充泵首级叶轮表面粗糙度应控制0.05 mm 以下，以及出口水力宽度偏差控制在1 mm 以内，确保叶轮流道出口的湍动能分布均匀性。

4 结束语

针对上充泵首级叶轮卡环多次发生断裂现状，分析影响叶轮卡环加速微动疲劳断裂的各种因素。通过建立上充泵首级叶轮水力模型，明确叶轮加工偏差对叶轮内部流动性能的影响规律，对于上充泵首级叶轮备件采购和检修维护具有重要的指导意义。