快堆一回路主循环钠泵泵盖传热数值模拟

徐鑫

（中国原子能科学研究院设计所 北京 102413）

一回路主循环钠泵是快堆一回路主冷却系统中的核心设备。一回路主循环钠泵［1］因其流量较大，故而采取效率高、扬程大的机械泵［2］，它的主要作用是为冷却剂的循环提供动力，进而将堆芯热量排出，钠泵下端的逆止阀、泵室、叶轮及部分主轴和泵壳浸没在高温的液钠中，液钠上表面覆盖氩气层，在氩气层上部设置泵盖，用来阻止反应堆内热量散发，使反应堆外温度控制在合理水平；同时，在反应堆外通过空气的自然、强迫散热和蒸馏水冷却器对上部轴承油槽、双端面密封［3］油槽的冷却等措施，使钠泵在堆容器外部的部件温度处于合适水平。

整个钠泵系统的热源包括液钠、被液钠加热而产生对流的氩气、轴承和密封的损耗热，转动部件的搅拌损耗以及钠的热辐射。传热方式包括结构件内的热传导、氩气与结构件的对流换热及热辐射。

钠泵结构中的泵盖和隔热［4-6］板将钠泵分成了高温部分和低温部分，其中，泵盖起到了主要作用。泵盖的隔热设计是否成功将决定泵盖上方部件的温度水平，并进而影响轴封和上部轴承等结构的运行安全与寿命。本文采用CFD［7-9］方法对一回路主循环钠泵进行温度场计算，针对泵盖温度分布情况进行分析。

1 模型建立

钠泵结构温度场分析的有限元分析模型包括电机支架、泵盖、隔热板、泵体和主轴，如图1所示。

图1 钠泵温度场分析对象

2 网格与边界条件

采用ANSYS Fluent Meshing划分多面体网格，网格应用了混合网格结构，总网格数量2066万，如图2所示。

图2 网格划分

将空气、氩气与结构表面的接触面设置为热对流换热边界，同时，将堆容器外部空气的温度设为30℃，假设钠液面上部氩气温度与钠液以下的结构温度设置相同。由于轴承和双端面密封的损耗热和冷却系统带走的热量等数据暂时无法得到，假设两者正好互相抵消，同时，假设多层隔热板结构隔绝了钠液面与泵盖下表面间的热辐射。

不同运行工况下，钠泵所处的液钠池温度是不同的，见表1，作为完整的钠泵温度特性计算，需要对表1中的所有工况都进行计算。

表1 钠泵温度场分析工况表

钠泵整体温度场额定工况下边界条件具体设置，自然对流的换热系数一般为1~10W/m2·℃。泵盖以上部件的散热环境较好，但为使计算结果偏向于保守，这些部件与空气接触面的散热系数取5W/m2·℃；泵盖下表面与隔热板间的氩气层对流条件较差，将部件与氩气接触面的散热系数也取5W/m2·℃；隔热板以下的部件与氩气接触面的散热系数取10W/m2·℃；液钠浸没区的温度设为液钠的温度。强迫通风1000m3/h的空气，进风口空气温度为30℃。对于温度场计算，其余工况的边界条件差别仅在于钠液和氩气温度，模型如图3所示。

图3 模型示意图

3 计算结果分析

使用有限元分析软件ANSYS对上图中的模型进行计算，得到设计工况下钠泵的温度场分布，如图4至图7所示。

图4 0°截面温度分布

图5 截面温度分布

图6 截面温度分布

图7 截面温度分布

从计算结果可知：钠泵整体温度如预期呈现出自下而上逐渐降低；主轴周向温度分布均匀，在检修密封处温度74.5℃；泵盖最高温度220℃，出现在下表面，最低温度32℃，出现在上表面，泵盖起到了良好的隔热效果，泵盖上表面温度低于45℃。

从结果来看，由于主轴与泵盖不同心，同时为了穿过液位计、流量计、止回阀而在泵盖上开了孔，并且这些开孔在周向分布是不均匀的，造成泵盖在周向的温度分布也不均匀，以图5为例，泵盖外径侧远离出风孔的部位比靠近出风孔的部位温度高约8℃，如图7所示，主轴的温度周向均匀性较好。

针对表2中4种工况分别做了计算，温度分布规律与泵额定工况基本一致，具体数据见表2。

表2 各工况下温度计算结果

4 结论

通过对快堆一回路主循环钠泵及泵盖进行传热数值模拟分析后，得出以下结论。

（1）钠泵整体温度呈现出自下而上逐渐降低，主轴轴向温度分布均匀。

（2）各工况下，环境温度30℃，泵盖的强迫通风风量为1000m3/h，泵盖上表面均温度没有超过安全准则要求温度60℃，钠泵泵盖隔热设计和风量选择是合理的。