В новых проектах АЭС с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) в системе аварийного и планового расхолаживания первого контура планируется использовать агрегат «насос-эжектор», состоящий из насоса высокого давления и водо-водяного эжектора, устанавливаемого на напорной стороне насоса [1]. В аварийных режимах агрегат «насос-эжектор» должен обеспечить отвод остаточного тепловыделения от активной зоны реактора, подавая охлаждающую воду в первый контур при снижении давления ниже 2 МПа. В режиме планового (штатного) расхолаживания реакторной установки агрегат «насос-эжектор» также должен обеспечить подачу воды при снижении давления ниже 2,0 МПа. Кроме того, агрегат планируется использовать для отвода тепла от отработанного топлива, размещенного в бассейне выдержки.
В [2] были представлены результаты расчетно-экспериментального исследования напорно-расходной характеристики конструкции одноступенчатого эжектора в рамках анализа возможности его использования в САОЗ АЭС с ВВЭР. Экспериментальные исследования показали, что снижение давления на выходе из диффузора эжектора сначала вызывает увеличение расхода инжектируемой воды, однако при некотором значении давления достигается предельное значение расхода среды и дальнейшее уменьшение давления на выходе из диффузора больше не приводит к возрастанию расхода. При этом анализ результатов исследования, выполненный с помощью инженерной методики [3] и с помощью CFD-кода REMIX, указывал на кавитацию как на причину предельного расхода [4].
Дальнейшие исследования были направлены на увеличение предельного расхода перекачиваемой жидкости. Для этого в ОАО «ЭНИЦ» была разработана и испытана двухступенчатая модель эжектора, выполненная в масштабе 1:20 по проходным сечениям к натурному образцу эжектора. Данный вариант конструкции позволил увеличить предельный расход через эжектор, однако рабочий диапазон давлений на расходно-напорной характеристике двухступенчатого эжектора оказался достаточно узким, что затрудняло использование подобного эжектора в САОЗ АЭС с ВВЭР.
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований эжектора нового варианта конструкции, которая была модифицирована с целью увеличения предельного расхода при сохранении достаточно широкого диапазона рабочих давлений. Увеличение расхода среды эжектором может достигаться за счет использования дополнительно создаваемых центробежных сил при закрутке потока среды [5]. В ОАО ЭНИЦ при участии специалистов НИУ МЭИ была разработана конструкция эжектора с тангециальным подводом пассивной среды с целью исследования влияния закрутки потока на расходно-напорную характеристику. В данной работе представлены результаты экспериментального исследования расходно-напорной характеристики эжектора данного варианта конструкции.
Цель работы ‒ экспериментальное исследование расходно-напорной характеристики эжектора с тангециальным подводом пассивной среды для САОЗ АЭС с ВВЭР.
Материал и методы исследования
В Электрогорском научно-исследовательском центре по безопасности атомных электрических станций (ОАО ЭНИЦ) было проведено экспериментальное исследование расходно-напорной характеристики трех уменьшенных моделей эжектора с тангециальным подводом пассивной среды в рамках анализа возможности использования подобного эжектора в САОЗ АЭС с ВВЭР. Масштаб моделей составлял 1:27,7 (по проходным сечениям). На рис. 1 представлена схема проточной части первой модели эжектора с тангециальным подводом пассивной среды, а ее геометрические параметры представлены в таблице. На рис. 2 представлены поперечные разрезы приемной камеры в области подачи пассивной среды для трех моделей эжектора. Модели эжектора отличались лишь конструкцией данного элемента. Диапазон давлений рабочей воды составлял 6,2–7,2 МПа, давление инжектируемой воды 0,14–0,146 МПа, расход рабочей воды ~3,0 кг/с, температура рабочей воды 47–102 °С, температура инжектируемой воды 20–40 °С.
Рис. 1. Общий вид проточной части модели эжектора: 1 – приемная камера; 2, 3 – пассивное сопло (участки 1 и 2); 4, 5, 6 – камера смешения (участки 1, 2 и 3); 7 – диффузор; 8, 9 – рабочее сопло (участки 1 и 2); 10 – подвод пассивной воды; 11 – подвод рабочей среды
При разработке конструкции модели эжектора с тангециальным подводом планировалось достигнуть расход пассивной среды 6 кг/с. При этом с учетом расхода рабочей воды 3 кг/с при пересчете на натурный эжектор суммарный расход через эжектор должен был составить ~ 900 т/ч. Модели эжекторов характеризовались угловой скоростью, которая определялась по соотношению
(1)
где Wτ – скорость пассивной воды в патрубках тангециального подвода в приемной камере, определяемая по требуемому расходу пассивной воды 6 кг/с; R – внутренний радиус приемной камеры; i – номер модели эжектора. Моделям соответствовали следующие угловые скорости:
- модель № 1 – wi = 75 1/с;
- модель № 2 – wi = 143 1/с;
- модель № 3 – wi = 300 1/с.
Геометрические параметры моделей эжектора с тангенциальным подводом пассивной воды
|
Геометрический параметр |
Размерность |
Приемная камера |
Пассивное сопло |
Камера смешения |
Диффузор |
Рабочее сопло |
||||
|
1-й участок |
2-й участок |
1-й участок |
2-й участок |
3-й участок |
1-й участок |
2-й участок |
||||
|
Dвход |
мм |
80 |
80 |
40 |
40 |
30 |
15,2 |
15,2 |
20 |
6 |
|
Dвыход |
мм |
80 |
40 |
40 |
30 |
15,2 |
15,2 |
64 |
6 |
6 |
|
Угол раскрытия |
град. |
0 |
126,8 |
0 |
54 |
14 |
0 |
10 |
26 |
0 |
|
Li |
мм |
166 |
10 |
20 |
9,8 |
60 |
50 |
270 |
30 |
10 |
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 2 представлены экспериментальные расходно-напорные характеристики для различных вариантов конструкции эжектора, полученные в ОАО ЭНИЦ.
Из рис. 3 видно, что для всех вариантов конструкции наблюдаются режимы предельного расхода. По-видимому, это связано с кавитационными процессами в тракте эжектора, возникающими при достижении соответствующего расхода перекачиваемой воды.
Рис. 2. Поперечный разрез приемной камеры в области подвода пассивной среды для трех моделей эжектора
Рис. 3. Зависимость давления на выходе из эжектора от расхода перекачиваемой среды: 1 – одноступенчатый эжектор; 2 – характеристика модели двухступенчатного эжектора в пересчете на натурный эжектор; 3 – модель эжектора с танг. подводом № 1 в пересчете на натурный эжектор; 4 – модель эжектора с танг. подводом № 2 в пересчете на натурный эжектор; 5 – модель эжектора с танг. подводом № 3 пересчете на натурный эжектор
При увеличении параметра wi, характеризующего модели эжектора с тангециальным подводом, величина предельного расхода уменьшалась. Предельный расход через эжектор с учетом пересчета на натурный объект для модели № 1 (wi = 75 1/с) составил ~ 540 т/ч, для модели № 2 ~ 510 т/ч, а для модели № 3 (wi = 300 1/с) ~ 430 т/ч.
Характерные величины давления на выходе из эжектора при расходах, меньших предельного, для модели № 2 (wi = 143 1/с) были больше, чем для моделей № 1 и 3.
Величины предельных расходов через модели эжекторов с тангециальным подводом были меньше, чем предельные расходы через одноступенчатый эжектор и модель двухступенчатого эжектора.
Выводы
Выполнено экспериментальное исследование влияния тангециального подвода пассивной среды на напорно-расходную характеристику эжектора.
Сконструированы и изготовлены три уменьшенные модели эжектора с тангециальным подводом пассивной среды. Масштаб моделей по отношению к натурному эжектору составляет 1:27,7 (по проходным сечениям). В случае равных расходов инжектируемой пассивной среды модели характеризуются различными значениями скорости пассивной воды в патрубках тангециального подвода. Для характеристики конструкции эжекторов был введен параметр wi, равный отношению скорости пассивной среды в тангециальном подводе при требуемом расходе к радиусу приемной камеры.
В экспериментах для всех трех моделей эжектора с тангециальным подводом наблюдались режимы предельного расхода. Было установлено, что при увеличении параметра wi величина предельного расхода уменьшается.
Значения предельного расхода для всех трех моделей эжектора с тангециальным подводом меньше, чем для одноступенчатого эжектора и модели двухступенчатого эжектора.
Работа выполнена при финансировании Российским фондом фундаментальных исследований (проект РФФИ № 11-08-00410-а) и в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по Госконтракту № 14.В37.21.0151.
Рецензенты:
Гашенко В.А., д.т.н., зам. директора по научной работе, начальник Управления НИР и НИОКР в области водной химии ОАО «Электрогорский научно-исследовательский центр по безопасности атомных электростанций», Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом», г. Электрогорск;
Якуш С.Е., д.ф-м.н., ведущий научный сотрудник лаборатории термогазодинамики и горения Института проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, г. Москва.
Работа поступила в редакцию 16.09.2013.