黄 滨，武 鹏，刘祥松，冯晓东，杨 帅，吴大转

（1.浙江大学 海洋学院，浙江舟山 316021；2.浙江大学 能源工程学院，杭州 310027；3.哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨 150066）

0 前言

ACPl00反应堆是中核集团从2004年起研发的一种模块化小型堆（SMR）。SMR是指单堆电功率小于30万kW，采用模块化设计、模块化制造、模块式运输，现场快速装配、采用革新技术的新一代反应堆。ACPl00反应堆模块由反应堆压力容器、直流蒸汽发生器、屏蔽泵、反应堆堆内构件和一体化堆顶结构等组成，如图1所示。直流蒸汽发生器位反应堆压力容器内，屏蔽泵通过短管嘴直接连接到反应堆压力容器，传统的主回路管道得以消除［1］。

图1 ACP100反应堆模块

ACPl00反应堆采用3台轴流式核主泵并联运行驱动冷却剂在反应堆冷却剂系统内循环流动，在泵组非同步启动、停止或事故工况下，其中某台或多台核主泵可能进入泵工况外的其他象限，因此必须提供核主泵的四象限特性曲线用于系统安全评估。

泵的全特性工况涉及正转（水泵工况转向）、反转、正扬程（叶轮出口能量大于进口能量）、负扬程、正流量（液体从吸入口侧流向排出口侧）、负流量、正功率（原动机把机械能传给液体）、负功率等多种工作状态的组合，四象限各工况参数特性见表 1［2-8］。

表1 水泵全特性区域分析表

1 研究对象

本文所研究的ACP100核主泵采用套筒式轴流泵结构如图2所示，水力部件主要技术参数为：叶轮直径D=300 mm；额定转速n=2 916 r/min；设计流量Q=2 500 m3/h；设计扬程H=27.9 m。

图2 ACP100核主泵结构

2 模型试验方案

2.1 试验台

ACP核主泵模型四象限试验在杭州富安水力机械研究所FTB1试验台（如图3所示）上完成，该试验台于2013年5月17日通过中国水力发电工程学会的鉴定，是一座综合性的通用水力机械试验台，其主要特点如下：

（1）试验台的模型效率综合测试误差小于±0.2%，模型效率重复测试误差小于±0.10%。模型的效率、汽蚀、压力脉动、等试验可在同一试验台上进行。

（2）模型试验台具有各参数（扬程、流量、力矩等）的原位标定系统，各原级测试设备均具有国家或权威检测部门有效期内检测的精度证书，次级仪器设备具有标定文件，能够满足验收试验及其各种试验参数的测量精度和运行稳定性的要求。

（3）试验中模型试验台水循环系统稳定，试验中各测量物理量的波动幅度及测量不确定度均能满足标准要求。

图3 试验台装置示意

2.2 试验模型设计

考虑到ACP100核主泵真机叶轮直径较小，但转速较高，因此在进行模型试验时，采用1：1模型进行降速试验。为保证加工精度，水力部件中核心的叶轮和出口导叶整体模型采用五轴联动加工技术得到，如图4所示。

图4 ACP100核主泵叶轮和出口导叶

由于ACP100核主泵结构复杂、同侧进出、且进出口管为半圆管，为了更加真实地模拟泵内流态，在保证进出口考核基准面范围内流道一致的基础上，将泵体置于水箱内，水箱两侧开孔与试验系统管路相连，试验模型结构如图5所示。

图5 试验模型结构

2.3 试验步骤

在试验管路系统中由于高压侧增压泵的存在，降速试验时选取额定转速为1 000 r/min，试验泵大流量工况下的扬程不足以克服增压泵反转和管路的阻力损失。

3 试验结果分析

3.1 泵工况性能特性

泵工况性能测试时额定转速为1 000 r/min，根据标准IEC60193-1999的要求换算到真机工况额定转速2 898 r/min的流量QP、扬程HP和功率PmP，换算公式如下：

式中 QP，QM——真机、模型机的流量；

DP，DM——真机、模型机叶轮的外径；

nP，nM——真机、模型机的转速；

EP，EM——真机、模型机的比能，E=gH；

PmP，PmM—— 真机、模型机对应工况的功率；

ηhP，ηhM—— 真机和模型机对应工况的水力效率。

标准IEC60193-1999的规定，通过模型试验测得的水力效率应在考虑雷诺数的比尺效应后转换至真机的水力效率。换算公式如下：

式中 （Δηh）M→P—— 由模型雷诺数换算到真机雷诺数的效率修正量；

δref——效率修正系数；

Reref——参考雷诺数，Reref=7×106；

ReM——模型雷诺数；

ReP——真机雷诺数；

ReoptM—— 最优水力效率工况点的模型雷诺数；

ηhoptM——最优水力效率；

Vref——损失系数。

根据标准IEC60193-1999的要求，Vref=0.6；计算出修正值后，即可得出真机的水力效率：

根据上述理论公式对测试结果进行相似换算，得到ACP100核主泵额定转速泵工况性能曲线如图6所示。额定转速2 898 r/min时，额定工况流量为2 544.73 m3/h，扬程为28.7 m，效率为82.23%，水力功率为241.30 kW。

图6 ACP100核主泵额定转速泵工况性能曲线

3.2 四象限性能特性

按照2.3节的试验步骤，采取水箱正、反安装的方式实现正转水泵、正转正流制动、反转正流制动、正流水轮机、正转逆流制动、反转水泵、反转逆流制动、逆流水轮机、逆流飞逸、逆流转速为零、正流飞逸、正流转速为零等12种工况的测试，并将所测转速、流量和扬程根据式（6）和（7）换算得到转速因数和流量因数。

转速因数：

流量因数：

可以看出，在负流量区域，正、反转工况的扬程曲线接近平行；在正流量区域，反转工况的扬程曲线在小流量区域下降趋势明显快于正转工况，但正转泵工况的驼峰区并不显著。

根据上述公式进行无量纲换算，得到ACP100核主泵四象限nED— QED曲线,如图7所示，其中横坐标上方为正流工况、下方为逆流工况，纵坐标右侧为正转工况、左侧为反转工况。同时，为了更清楚地对比泵在正、反转的性能特性，以额定点流量和扬程为基准，对四象限曲线上所有工况点的流量和扬程进行无量纲处理，得到ACP100核主泵四象限无量纲扬程曲线如图8所示。

图7 ACP100核主泵四象限nED — QED曲线

图8 ACP100核主泵四象限无量纲扬程曲线

4 结语

本文基于相似定律，采用降转速方法对1：1模型的ACP100核主泵进行了四象限全特性模型试验。所测得的泵工况性能曲线为理论设计和CFD性能预测提供了验证数据，对后期进一步性能优化具有重要指导作用；而四象限全特性曲线将为核动力研究设计院进行整体回路系统瞬态热工水力特性计算提供有效的泵性能参数。