流体机械

参数	数值
密度ρ/(kg·m^-3)	7 960	7 960
杨氏模量E/GPa	189	179
泊松比ν	0.268	0.281
抗拉强度δ_b/MPa	432	412
屈服强度δ_s/MPa	259	242
热导率K/(W·m^-1·K^-1)	10.7	15.9

参数	数值
密度ρ/(kg·m^-3)	7 960	7 960
杨氏模量E/GPa	189	179
泊松比ν	0.268	0.281
抗拉强度δ_b/MPa	432	412
屈服强度δ_s/MPa	259	242
热导率K/(W·m^-1·K^-1)	10.7	15.9

方案	网格数	平均y⁺	扬程/m	效率/%
1	6 715 321	89.4	366.2	79.99
2	8 922 733	73.4	363.4	79.97
3	12 212 276	50.8	360.0	80.00
4	17 344 372	42.6	360.3	79.75

方案	网格数	平均y⁺	扬程/m	效率/%
1	6 715 321	89.4	366.2	79.99
2	8 922 733	73.4	363.4	79.97
3	12 212 276	50.8	360.0	80.00
4	17 344 372	42.6	360.3	79.75

模态阶数	旋转方向	稳定性	临界转速/（r·min^-1）
1	FW	稳定	1 894.5
2	BW	稳定	2 603.9
3	FW	稳定	2 625.1
4	BW	稳定	2 629.0
5	FW	稳定	2 687.6
6	BW	稳定	2 838.7

模态阶数	旋转方向	稳定性	临界转速/（r·min^-1）
1	FW	稳定	1 894.5
2	BW	稳定	2 603.9
3	FW	稳定	2 625.1
4	BW	稳定	2 629.0
5	FW	稳定	2 687.6
6	BW	稳定	2 838.7

高温熔盐循环主泵径向力及转子轴系响应研究

高雄发 ¹ , 朱智彧 ¹ , 张德胜 ¹ , 施卫东 ² , 王道红 ³ , 张欣怡 ¹

流体机械 | 设计计算 2025,53(9): 87-94

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流体机械 |设计计算 2025 , 53 (9) : 87 -94

高温熔盐循环主泵径向力及转子轴系响应研究

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高雄发¹, 朱智彧¹, 张德胜¹, 施卫东², 王道红³, 张欣怡¹

作者信息

¹江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013

²南通大学机械工程学院，江苏南通 226000

³江苏飞跃机泵集团有限公司，江苏靖江 214500

作者简介:

高雄发（1984），男，博士，副研究员，主要从事水力机械（泵）的优化设计与内流研究，通信地址：212013江苏省镇江市学府路301号，E-mail：gxfyq@ujs.edu.cn。

Study of radial force and rotor shaft system response of high temperature molten salt circulating main pumps

Xiongfa GAO¹, Zhiyu ZHU¹, Desheng ZHANG¹, Weidong SHI², Daohong WANG³, Xinyi ZHANG¹

Affiliations

¹Fluid Machinery Engineering Technology Research Center，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China

²School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226000，China

³Jiangsu Feiyue Pump Group Co.，Ltd.，Jingjiang 214500，China

出版时间: 2025-09-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.09.012

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摘要

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针对高温熔盐循环主泵转子系统不平衡、水力激励等因素引起噪声、振动、部件磨损等问题，本文分析了高温熔盐循环主泵流体激励力对泵转子系统动力学响应的影响，以某新型冷盐泵为研究对象，通过Ansys CFX软件对冷盐泵的内部流场进行非定常计算，得到不同工况下各级叶轮受到的径向力，基于SAMCEF平台对冷盐泵转子的临界转速和振型进行分析，研究不同流量下叶轮受径向力作用时，转子系统的瞬态响应，并进行了清水试验验证。结果表明：清水与300 ℃熔盐的外特性曲线误差在5%以内；1.0Q工况下，第1级叶轮受到的径向力为4 350 N，远大于其余叶轮；在0.6Q~1.4Q不同流量工况下，第1级叶轮和第5级叶轮的径向力受动静相干作用变化规律相反；转子系统临界转速为1 894.5 r/min，转子系统在额定转速下不会发生共振；当不考虑径向力作用时，各级叶轮瞬态位移呈规律椭圆形，第四级叶轮瞬态位移最大，位移量为7.1×10^-6 mm；当考虑径向力时，各级叶轮的径向位移变化复杂，受轴系约束作用，第5级叶轮瞬态位移最大，位移量为0.289 4 mm。研究结果可冷盐泵转子系统的优化设计提供参考。

关键词

熔盐泵 / 径向力 / 临界转速 / 瞬态响应 / SAMCEF

Abstract

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Aiming at addressing issues such as noise，vibration，and component wear caused by rotor system imbalance and hydraulic excitation in high‑temperature molten salt circulation main pumps，this paper analyzes the influence of fluid‑induced forces on the dynamic response of the pump rotor system.Taking a new type of cold salt pump as the research object，the unsteady flow field inside the pump is calculated using Ansys CFX software to obtain the radial forces on each stage impeller under different operating conditions.Based on the SAMCEF platform，the critical speed and mode shapes of the pump rotor are analyzed，and the transient response of the rotor system under radial forces at different flow rates is investigated，with validation through clear water experiments.The results show that the discrepancy between the performance curves of clear water and 300  °C molten salt is within 5%；under the 1.0Q condition，the radial force on the first‑stage impeller is 4 350  N，which is significantly greater than that on the other impellers；under different flow conditions ranging from 0.6Q to 1.4Q，the radial forces on the first‑stage and fifth‑stage impellers exhibit opposite variation patterns due to rotor-stator interaction；the critical speed of the rotor system is 1 894.5  r/min，indicating that resonance will not occur at the rated speed；when radial forces are not considered，the transient displacements of all impellers show regular elliptical patterns，with the fourth‑stage impeller having the largest displacement of 7.1×10⁻⁶  mm；when radial forces are considered，the radial displacements of all impellers become complex due to shaft system constraints，and the fifth‑stage impeller exhibits the largest transient displacement of 0.289 4 mm.The research findings can provide a reference for the optimal design of the cold salt pump rotor system.

Key words

molten salt pump / radial force / critical speed / transient response / SAMCEF

引用本文

高雄发, 朱智彧, 张德胜, 施卫东, 王道红, 张欣怡. 高温熔盐循环主泵径向力及转子轴系响应研究. 流体机械, 2025 , 53 (9) : 87 -94 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.09.012

Xiongfa GAO, Zhiyu ZHU, Desheng ZHANG, Weidong SHI, Daohong WANG, Xinyi ZHANG. Study of radial force and rotor shaft system response of high temperature molten salt circulating main pumps[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (9) : 87 -94 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.09.012

正文

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0　引言

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高温熔盐泵是太阳能发电系统的“动力心脏”，常在高温、高压工况下运行，其安全可靠运行是整个熔盐热循环系统运行的重要支撑^［1］。熔盐循环系统中，主要采用2种类型的熔盐循环泵，一种为高温熔盐泵，工作温度一般为600 ℃左右，从吸热塔把高温熔盐输送到地面，简称为“热盐泵”；另一种为熔盐循环主泵，主要作用为把发电后冷却下来的熔盐从储盐罐输送到接受塔中，工作温度一般为300 ℃左右，简称为“冷盐泵”。热盐泵已经逐步国产化，产品应用趋于成熟。而冷盐泵的研究属于起步阶段，国内的相关研究和应用较少，现阶段应用较多的为示范工程。冷盐泵通过叶轮逐级加压，将熔盐介质通过管道系统输送至高度达百余米乃至千米级的太阳能吸热塔中，因此，其转轴较长，常在高温、高压工况下运行，具有“流量大、扬程高、液下轴长、叶轮级数多”等特点。冷盐泵在运行过程中，因级数较多，转轴较长，扬程较高，底部无支撑，其转子系统旋转过程中会因为自身的不平衡量，以及流场带来的水力激励等因素引起噪声、振动、部件磨损等问题。其运行的稳定性决定冷盐系统的可靠性，一旦冷盐泵停止工作，将直接导致整个发电系统瘫痪。因此，对冷盐泵内部的流动特性和结构变化进行深入研究有着重要的意义。

作为太阳能光热发电系统的核心设备，国内外学者对高温熔盐泵进行了大量研究。SHEN等^［2］利用有限元仿真软件对密封泄漏量、密封动态特性和转子系统动态特性进行了仿真分析。高波等^［3］探究高温循环熔盐泵内部非稳态涡结构与压力脉动特性的关联性。GU等^［4］研究了压力脉动与涡结构演变的关系。金永鑫等^［5-7］对高温循环熔盐泵上端密封结构性能进行数值模拟，总结了关键变量和上端密封性能之间的关系，设计和优化轴系结构和组合式导叶，发现了前后盖板泵腔内的能量损失特性。KANG等^［8］研究了熔盐流量对熔盐泵转子动力学性能的影响。朱荣生等^［9］分析了不同温度下各种材料性能的改变对高温循环熔盐泵结构性能的影响。夏添等^［10］对熔盐泵空间导叶进行了优化分析。郭豹等^［11］对熔盐泵结构部件固有频率进行了模态分析。王子超等^［12］基于流固热多场耦合理论，系统地对高温循环熔盐泵在极端高温工况下的结构应力进行了研究。

综上所述，目前对高温熔盐泵的研究主要集中在太阳能热发电、核能发电、冶金化工等领域。其中，太阳能热发电高温熔盐泵的研究主要集中在热液泵，而对冷盐泵的研究很少，存在较大的空白。本文以某新型冷盐泵为研究对象，采用CFX软件对流场进行数值计算，基于SAMCEF平台对冷盐泵转子系统进行临界转速、振型和瞬态响应分析，并进行清水试验验证，研究可为冷盐泵转子系统优化设计提供参考。

1　模型参数

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1.1　冷盐泵几何模型

所研究的冷盐泵主要应用于塔式太阳能光热发电系统，主要作用为把发电后冷却下来的熔盐从储盐罐输送到接受塔中。以某冷盐泵为研究对象，如图1所示，其主要设计参数为Q=1 155 m³/h，单级设计扬程H₁=72 m，总设计扬程H=360 m，转速n=1 480 r/min，叶轮进口直径D₁=345 mm，出口直径D₂=510 mm。

流体域如图2所示，包括喇叭进口、第1级叶轮、蜗壳、中间接管、2~5级叶轮、空间导叶、出口管等。

该型号泵的结构设计特点为第1级叶轮与双蜗壳压水室配合，然后经过长双管流出后，进入第1级叶轮，第2~5级压水室为空间导叶形式，逐级串联，该结构形式可降低循环系统的振动，提高系统稳定性。计算区域为从冷盐泵的进口段到出口段的整个装置段，输送介质设为25 ℃清水和300 ℃的熔盐。300 ℃熔盐的物性参数参照文献［6］进行确定，其密度为1 899.2 kg/m³，黏度为3.26 MPa·s，比热容为1 494.6 J/（kg·℃），热导率为0.5 W/（m·℃）。冷盐泵叶轮和长轴的材料为347H（07Cr18Ni11Nb），该材料的物性参数见表1。

1.2　网格划分及边界条件设置

为了保证计算结果的准确性和计算时间的合理性，流体域网格的质量和数量需要结合模型和边界条件等因素确定。采用Ansys ICEM CFD对计算域旋转体进行六面体结构网格划分，对静止部件进行四面体非结构网格划分。对流体域进行网格无关性验证，设置4个网格划分方案，见表2。为平衡计算精度与计算资源，确定采用方案3进行计算。流体域中，第1级叶轮网格质量为0.38，其余叶轮网格质量为0.34，空间导叶网格质量为0.32，剩余静止部件网格平均质量为0.3。

利用Ansys CFX软件对冷盐泵模型进行定常数值计算，湍流模型采用SST k-ω模型，在定常计算中进口边界条件设置为Total Pressure；出口边界条件设置为Mass Flow Rate；动静域交界面设置为Frozen Rotor；壁面设置为No Slip Wall。将定常计算的结果作为非定常数值模拟的初始条件，叶轮每旋转3°为一个时间步长，时间步长为0.000 337 838 s，设置非定常计算总时间为25个叶轮旋转周期，即1.013 513 5 s，残差收敛精度为10^-5，同时监测各级叶轮径向力，其他设置和定常数值模拟一致。

1.3　性能试验

鉴于以熔盐为介质进行性能试验，试验危险系数高，因此，采用清水进行试验，试验系统如图3所示，同时以清水和300 ℃熔盐为介质进行数值计算，获得的外特性曲线如图4所示。

由图可知，冷盐泵扬程随着流量的增大而减小。在小流量工况下和大流量工况下，清水试验所得扬程结果与两种介质的数值计算所得的扬程的误差较大；在设计工况下，扬程误差较小。在小流量工况时，清水试验得到的效率大于两种介质计算得到的效率；在大流量工况时，清水试验得到的效率小于两种介质计算得到的效率；在额定工况下，清水试验的效率与数值模拟的效率相差5%以内，因此，从经济性和安全性来考虑，后期本型号冷盐泵的性能试验以清水为介质进行测试是可行的。

2　径向力计算与分析

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叶轮的径向力来源于叶片两侧和叶轮进出口流体的压力分布不均引起的压差力。冷盐泵首级压水室采用双蜗壳双出液管结构，其余压水室采用空间导叶结构，在非定常流动作用下会引起局部压力的剧烈变化，产生非对称的瞬时径向力，降低冷盐泵的可靠性和寿命，影响冷盐泵运行的稳定性。因此，在非定常计算过程中同步监测作用在各级叶轮上的径向力，具体操作为分别监测径向力x，y的分量，则径向力F_r计算公式为：

F r = F x 2 + F y 2

（1）

图5示出熔盐介质额定工况Q下各级叶轮最后一个周期径向力时域图。从图中可以看出，冷盐泵在熔盐介质下额定工况点处，第1级叶轮受到的径向力远大于其余叶轮。

为了对比叶轮径向力，选取非定常最后一个旋转周期的径向力数据，将第1级叶轮和第5级叶轮作为研究对象进行对比分析。图6，7示出第1级叶轮和第5级叶轮熔盐介质下径向力极坐标图。由图可知，在泵转速不变的情况下，第1级叶轮所受径向力随着流量的增大而减小，由于叶轮和导叶的动静相干作用，不同的流量工况点下，出现正弦变化规律，其受到径向力最大值达4 350 N；第5级叶轮所受径向力随着流量的增大而增大，其受到径向力最大值达575 N。第1级叶轮径向力分布具有较多的波峰和波谷，导致该现象的原因是第1级叶轮压水室是双蜗壳双出液管结构，叶轮在双蜗壳结构作用下呈现出2倍的波峰，第5级叶轮压水室是空间导叶结构，分布较为均匀。从小流量工况到大流量工况时，冷盐泵第1级叶轮和第5级叶轮的径向力变化规律相反，源于它们在泵内部的不同作用和流体动力学条件。

第1级叶轮的主要作用是加速和引导流体，小流量工况时，流速不稳定。另外压水室为双蜗壳形式，叶轮到蜗壳的流态不均匀，导致径向力较大。随着流量的增大，流体运动趋于平稳，径向力逐渐下降。而第5级叶轮则在高压区工作，流量增大时流速和压力差增加，使得第5级叶轮承受的离心力增大，径向力也随之增大，小流量时则减小。

3　临界转速计算与分析

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3.1　转子模型

转子系统模型主要包括叶轮、转轴和轴承3个部分，如图8所示，其中：A~L为轴承，M~Q为5个叶轮，R为转轴，轴总长9 383 mm，叶轮和转轴的材料为347H，密度为7 960 kg/m³，泊松比为0.281，弹性模量为189 GPa。

3.2　数值模拟

该模型共有12个轴承，基于SAMCEF Rotor 平台，定义轴系参数，同时在轴承位置设置轴承约束，根据轴承结构、材料和工作条件定义其轴承刚度K_xx=K_yy=1.2×10⁷ N/m，忽略阻尼。轴末端进行固定支撑，在网格模块中进行网格划分，选用四面体网格，网格尺寸设为21 mm，网格数为179 117。设置初始频率为0 Hz，结束频率为592 Hz，设置步数为24，间隔24.666 6 Hz，即1 480 r/min，特征值为10，临界转速求解方法选用伪模态法，可得到转子系统坎贝尔图和振型图。

对冷盐泵转子系统进行临界转速及振型求解后，得到转子前10阶固有频率及对应振型^［13］。以前6阶固有频率和振型为研究对象，获得的振型如图9所示，其对应的固有频率分别为31.58，43.37，43.76，43.77，44.84，47.31 Hz。

由图可知，转子第1阶振型图表现为叶轮的扭转振型，第2，3，4阶振型图表现为中间长轴的弯曲变形，第6阶振型图主要表现为叶轮和长轴的复合变形，弯曲最大处为第5级叶轮与中间长轴。

临界转速通常受到正向涡动的影响。表3列出转子系统前6阶临界转速。由表1可知，转子系统在第2，4，6阶中出现了反向涡动。因此，只需要考虑第1，3，5阶的临界速度，其中，第1阶临界转速为1 894.5 r/min。而冷盐泵的工作转速为1 480 r/min，其±20%的范围为1 233~1 776 r/min，第1阶临界转速大于这个范围，因此，可以得出转子系统在工作转速下不会发生共振^［14-16］。

4　瞬态响应计算与分析

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在冷盐泵转子系统旋转的过程中，会因为自身的不平衡量及流场带来的水力激励等因素引起噪声、振动、部件磨损等问题。一旦出现故障，将导致整个发电循环系统停止运行，因此，采用瞬态响应分析对受到影响的转子部件进行分析，为转子系统的结构优化和运行稳定性提供一定的参考。转子允许不平衡量的计算公式如下^［17］：

e p e r = 10 000 G n

（2）

m p e r = e p e r M / r

（3）

式中，e_per为转子质量偏心距，μm；G为转子平衡精度等级，mm/s，泵的叶轮取6.3；n为转子转速，r/min；m_per为允许不平衡质量，g；M为转子重量，kg；r为转子校正半径，mm。

通过计算获得叶轮允许最大不平衡量为15 g，转子质量偏心距为42.57 μm。

4.1　干态下瞬态响应

干态是指泵转子系统中为纯空气的状态，没有任何流体负载^［18-19］。在SAMCEF Rotor软件中，将求解器模式调整成Transient Response（瞬态响应）。为了缩短求解时间，选用一维模型进行计算求解，边界条件设置与临界转速设置一致，为了探究叶轮最大残余不平衡量对冷盐泵转子系统的影响，在每一级叶轮上设置偏心距为42.57 μm、相位相同、大小为15 g的不平衡质量单元，使每一级叶轮都受到不平衡质量和偏心距的影响，模拟真实干态情况，并输出每一级叶轮的瞬态位移，总计算时间为5 s，其中，0~4 s为启动到运行再到额定转速的时间，转速从0 r/min增加到1 480 r/min，再以1 480 r/min稳定运行2 s，输出频率为0.01 s，计算步数为14 800步。

图10示出额定转速下干态各级叶轮轴心轨迹。

从图中可以看出，额定转速下，干态各级叶轮的轴心轨迹相似，第4级叶轮位移最大，位移量为7.1×10^-6，其次是第5级叶轮，再是第3级叶轮，位移最小的是第1级叶轮。

4.2　湿态下瞬态响应

冷盐泵长期在300 ℃熔盐介质下运行，除了受不平衡质量影响外，还受到流体激励力的影响，为了研究湿态下流体激励力对冷盐泵转子系统的响应情况，考虑叶轮径向力，对其转子系统进行瞬态响应分析^［20］。在干态瞬态响应分析的基础上，当转子运行至额定转速，即1 480 r/min后，分别将数值模拟测得的各级叶轮径向力从x和y两个方向对各级叶轮进行施加，加载时间为1 s，其余设置与干态一致。湿态下得到各级叶轮受径向力时的瞬态位移如图11所示。

各级叶轮轴心位移量如图12所示。从图11和图12可以看出，第1级叶轮瞬态位移与其余叶轮瞬态位移不同，第1级叶轮瞬态位移形状无明显规律，而其余叶轮瞬态位移形状均呈圆形。第1级叶轮轴心轨迹无明显的运行轨迹特征，受转子轴系约束作用，其位移量最小；第5级叶轮轴心轨迹偏离轴心点最远，其最远点距离中心0.289 4 mm。

4　结论

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（1）清水与300 ℃熔盐的外特性曲线误差较小，熔盐的物性参数对冷盐泵的扬程和效率等主要性能指标影响较小。

（2）第1级叶轮受到的径向力远大于其余叶轮，最大为4 350 N。随着流量的增大，受叶轮与压水室之间的动静相干作用，第1级叶轮受到的径向力由4 350 N逐渐减小，第5级叶轮的径向力则逐渐增大到575 N。在实际应用中，可将叶轮与导叶进行错位，避免径向力集中。

（3）冷盐泵临界转速为1 894.5 r/min，超过其工作转速，转子系统正常运行时不会发生共振。在实际中可适当增加轴承刚度或调整转子系统结构，从而尽可能避免扭转。

（4）干态下，转子系统瞬态位移呈椭圆形，最大瞬态位移量出现在第四级叶轮，位移量较小对冷盐泵轴系影响比较微弱；湿态下，第1级叶轮瞬态位移无规律，其余叶轮呈现圆形规律，最大瞬态位移量出现在第5级叶轮，位移量为0.289 4 mm。针对该现象可以对冷盐泵转子系统中轴承位置进行调整，从而增加转子系统的稳定性。

参考文献

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文献

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排序方式：

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2025年第53卷第9期

136

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.09.012

接收时间：2025-02-24
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-09-30

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出版历史

收稿日期：2025-02-24
修回日期：2025-05-31

基金

作者信息

¹江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏镇江 212013

²南通大学机械工程学院，江苏南通 226000

³江苏飞跃机泵集团有限公司，江苏靖江 214500

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数	数值
参数	常温	300 ℃
密度ρ/(kg·m^-3)	7 960	7 960
杨氏模量E/GPa	189	179
泊松比ν	0.268	0.281
抗拉强度δ_b/MPa	432	412
屈服强度δ_s/MPa	259	242
热导率K/(W·m^-1·K^-1)	10.7	15.9