v rvf 5j-i
TRANSCRIPT
V rvf 5j-i "<,ui['i '" —
DIVISION ETUDES ET DEVELOPPEMENT DES REACTEURS
Département des Réacteurs à Neutrons Rapides
Symposium "Hydraulique et bruit" S.H.F. Paris, France, 15 décembre, 1981. CEA - CONF 6189
CARACTERISATION DE LA CAVITATION PAR METHODE ACOUSTIQUE . APPLICATION A UNE MAQUETTE DE POMPE ET A LA POMPE PRIMAIRE DU REACTEUR A NEUTRONS RAPIDES SUPER PHENIX
P. COURBIERE •• J. DEFAUCHEUX* - S. PANNI*
RESUME :
Dans le cadre des accords "CE.A. - J.S." sur les pompes des Réacteurs à Neutrons Rapides, Jeumont-Schneider et le Commissariat à l'Energie Atomique ont mené en commun une campagne préliminaire d'essais en eau sur maquette installée à Jeumont.
Des expériences similaires ont été réalisées sur les pompes primaires de Super-Phénix lors de campagnes d'essais en eau menées sur les installations EDF situées à Gennevilliers.
Le but de ces essais est de définir des critères acoustiques de cavitation.
Les résultats obtenus montrent que le bruit dans une pompe évolue avec la chute des caractéristiques et peut donc être représentatif d'un état cavitant.
Symposium "Hydraulique et bruit" S.H.F. PARIS (15 décembre 1981)
INTRODUCTION
Longtemps les seuls critères admis pour caractériser la cavi
tation dans les pompes étaient les points de chute de rendement
ou de hauteur.
Les techniques optiques et acoustiques ont beaucoup aidé pour
vérifier qu'une cavitation peut apparaître bien avant la détério
ration. des performances d'une pompe (jlj. ̂ e problème qui reste entier
est de savoir si cette cavitation est susceptible de créer de l'érosion
donc si elle est" pénalisante pour la vie d'une pompe.
A cause des inconnues qui existent actuellement sur les consé
quences d'une cavitation en sodium, pour une roue de pompe de grande
dimension, Jeumont-Schneider et le Commissariat à l'̂ .iergie Atomique
ont décidé de réaliser un programme d'essais.
Pour des études sur maquette, Jeumont-Schneider a implanté une
boucle à Jeuraont (Nord).
Les pompes primaires de Super-Phénix, lors des essais effectués
sur le.site EDF de Gennevilliers, ont permis de poursuivre ce travail
de recherche.
Afin de mener à bien ces expériences, le système de détection acous
tique utilisé a été celui développé au Département des Réacteurs à Neutrons
Rapides du CEN Cadarache.
Ces essais préliminaires ont pour objectifs :
- La mise au point, sur l'installation de Jeumont fonctionnant
en eau, de méthodes acoustiques élaborées pour le sodium sur
le tunnel de cavitation du CEN Cadarache [ 2J .
- L'application sur pompe échelle 1 des mêmes techniques
acoustiques.
. - La corrélation de la méthode acoustique aux méthodes classiques
(Visualisation sur maquette et chute des caractéristiques de
pompes).
• • •/ • • •
* p
PARAMETRE DE CAVITATION ET CRITERE ACOUSTIQUE
Paramètre de cav i ta t ion
S i on considère P comme l a pression absolue dans l a sect ion de
mesure, l a p ress ion minimale Pmin au niveau de l a roue es t égale ,à :
Pmin - Tv
/ g = (NPSH)disponible - y-
2g - Ah
Avec :
Tv : Tension de vapeur du liquide correspondant à la température
dans la section d'entrée de la roue.
P : Masse volumique moyenne du liquide.
g : Accélération due à la pesanteur.
— : Energie cinétique à l'entrée de la roue. 2g
A h : Différence de pression existant entre l'entrée de la roue et
la pression minimale à l'intérieur de la roue.
Pour Pmin - Tv = 0, le liquide se vaporise et le (NPSH)disponible
a diminué jusqu'à devenir le (NPSH)requis nécessaire pour éviter le
début de cavitation.
Le (NPSH) requis correspondant à l'apparition de la cavitation
varie comme la hauteur énergétique totale H : le rapport : NPSH/H
appelé coefficient de THOMA est un nombre sans dimension caractérisant
la cavitation pour une géométrie définie. .
(fc î (NPSH)requis/H -
tfi : (NPSH)disponible/H
La différence G*i - &c permet de situer la marge que l'on possède
vis à vis de l'écoulement cavitant pour une installation déterminée.
Critère acoustique de cavitation
L'utilisation d'une technique acoustique a permis à différents
laboratoires étrangers Ql J et au STRS/SDER de Cadarache [V] de pouvoir
suivre en sodium et en eau l'évolution d'un bruit d'écoulement
lorsqu'on fait varier les paramètres pression ou débit.
Comme on peut le voir sur la courbe présentée sur la figure 1,
dans le cas d'une pompe :
- Dans un premier temps ce bruit d'écoulement progresseVou reste
constant avec la diminution du NPSH, jusqu'à ce qu'on soit en
. présence d'une brusque variation de bruit caractérisant un seuil
de cavitation naissante.
- Au cours d'une seconde période ce bruit d'écoulement progresse
avec la diminution du NPSH ; il passe par un maximum correspondant ,
d'après L U » à une chute des caractéristiques de 1 %.
- Dans une troisième phase ce bruit s'effondre au fur et à mesure
de la chute des caractéristiques, puis ce bruit progresse à nou
veau s'il est possible. de diminuer encore le NPSH
de l'installation.
mmmm
MOYENS D'ESSAIS
Boucle "Maquette-pompe SPX 1"
La boucle présentée en f igure 2 permet d ' a t t e i n d r e 490 l / s avec
30 m de pe r t e de charge.
Cet te i n s t a l l a t i o n comporte l e s éléments suivants :
- Une maquette de pompe SUPER PHENIX, échel le : 0,27
po in t nominal : 344 l / s à 1 600 tr/mn ; 56,40 m ; 224 kw ;
en pos i t i on hor izon ta le , avec d i f fé ren tes p o s s i b i l i t é s de montage,
comportant un hublot de v i sua l i s a t i on et 'entraînée par un moteur
à courant continu et à v i t e s se va r i ab l e .
- Un r é s e r v o i r de p ressu r i sa t ion par matelas d 'azote et de
désaé ra t ion , 0 à 6 bars absolus.
- Une vanne a n t i - c a v i t a t i o n de réglage du déb i t .
- Un débitmètre électromagnétique, 0 à 611 l / s .
- Des capteurs de pression :
x 0 à 12 bars pour l a p r e s s ion ' . d i f f é r en t i e l l e ,
H 0 à 6 bars absolus pour l a pression à l 'anneau d ' a s p i r a t i o n .
- Un analyseur d'oxygène dissous , 0 à 20 mg/l .
La température de l ' e a u es t régulée dans l ' i n t e r v a l l e de tempé
r a t u r e : 20° C à 60° C.
• • • / • • *
Boucle "Pompe échelle 1"
Les pompes primaires ont été expérimentées sur la boucle
'd'essais installée et construite à .cet effet par l'E. D. F. au
centre de Gennevilliers.
Cette installation d'essais a permis de vérifier le comportement
des pompes pour Super Phénix à différentes vitesses de rotation dont
celles correspondant aux puissances nominale et maximale du réacteur.
<f
Instrumentation de mesure acoustique
L'appareillage utilisé pour étudier le bruit de l'écoulement
sur la maquette des pompes primaires Super - Phénix est.semblable
à celui en exploitation sur le tunnel de cavitation.en sodium
du CEN Cadarache.
Le système de détection est constitué de capteurs au Titanate
de Baryum montés sur guide d'onde ; leur fréquence propre de vibration
est de 50 kHz.
Ce type de capteurs est situé sur quatre points du circuit pour
la pompe maquette (figure 2) :
- Au niveau du bulbe (capteur n° 1),
- Sur la paroi pompe, près de l'entrée de la roue (capteur n° 2),
- Sur la tubulure de refoulement (capteur n° 3)•
Un autre type de capteur, développé pour le sodium, a été utilisé
sur les différentes pompes. Ces capteurs ont une fréquence de résonance
se situant au delà du MHz.
Le niveau sonore du bruit de l'écoulement est suivi.au moyen du
dispositif "CANASTA".
L'appareillage "CANASTA", réalisé dans un premier temps pour le
sodium, permet de quantifier le niveau sonore en représentant la somme
des impulsions issues d'un convertisseur tension-fréquence. Cette somme
est proportionnelle à la somme des intégrales de tous les signaux reçus
pendant un cycle de mesure.
Le signal du bruit de l'écoulement a été dans cette première phase mis
en mémoire sur bande magnétique.
L'enregistrement sur bande permet le traitement en différé de ce
signal, en utilisant soit le "CANASTA", soit l'analyseur de spectre
qui permet un suivi des spectres d'amplitudes dans l'intervalle de fréquence
0 - 5 0 kHz.
PRESENTATION ET RESULTATS D'ESSAIS
L'essai maquette présenté a été réalisé dans les conditions sui
vantes :
- Température de l'eau : 20° C
- Débit : *+89 l/s
- Vitesse de rotation : 1 600 tr/mn
Dans cette expérience, le taux d'oxygène dissous a été maintenu
constant durant tout l'essai.
Le.-suivi acoustique a été réalisé avec les types de capteurs
piêzo-électriques mentionnés précédemment.
Pour cet essai, les bruits d'écoulement pour les différents
G* de cavitation et l'analyse spectrale de ces bruits d'écoulement
dans la bande 0 - 5 0 kHz sont présentés fig. h et fig. 5«
La remarque principale est la suivante :
Le bruit progresse au début des chutes de hauteur, passe par
un maximum et décroit brusquement après le stade de la cavi-
. tation industrielle, c'est-à-dire après la chute de hauteur de
3 %
Les essais de la pompe primaire SUPER-PHENIX ont été réalisés
sur le site de Gennevilliers dans les conditions suivantes :
- Température de l'eau : 53° C
- Vitesse de rotation de la pompe : k?>8 tr/mn
- Débit pompe : 5,6 m /s
Les évolutions du bruit d'écoulement et des chutes de hauteur en
fonction du nombre de Thoma sont présentées en fig. 6 et l'analyse
spectrale en fig. 7-
Il est à noter pour cet- essai une bonne concordance avec le
précédent au niveau de la corrélation entre les chutes de hauteur et
l'évolution du bruit.
CONCLUSION
Ces essais préliminaires ont permis de vérifier par technique
acoustique l'évolution du bruit de l'écoulement à différents stades
de fonctionnement et pour une pression donnée à l'aspiration de la
pompe.
On a ainsi pu mettre en évidence une zone de cavitation nais
sante par méthode acoustique. Les résultats présentés sont en accord
avec ceux publiés par différents laboratoires hydrauliques.
Le but de cette première expérience n'était pas de corréler les
critères optiques aux critères acoustiques; Cependant, ces premiers
résultats positifs permettent d'envisager les recherches suivantes :
- Corréler les critères optiques et acoustiques aux températures
de 20° C et 55° C
- Etudier en similitude les critères acoustiques à différentes
vitesses.
- Déterminer l'influence de la teneur en gaz occlus et dissous dans
l'eau sur le phénomène de cavitation.
-Substituer l'argon à l'azote comme gaz de pressurisation pour se
rapprocher de la similitude eau-sodium.
Enfin, il est nécessaire de rappeler que la finalité de toutes
ces recherches doit être de déterminer le critère acoustique de l'amorce
d'une cavitation érodante, ce qui permettrait d'optimiser la géométrie
des roues avec une marge de sécurité plus grande.
1c
B I B L I O G R A P H I E .
1 : P. J. Me. NULTY and I. S.'PEARSALL
Cavitation Inception in Pumps
International Symposium on Cavitation Inception
ASME - NEW-YORK
December 2 - 7, 1979
2 : P. COURBIERE
Sodium, Cavitation, Erosion, Testing
6 th conference on Fluiu Machinery
Budapest 1979
3 : R. BISCl'andP. COURBIERE
.Similitude - Sodium en Cavitation
AIRH - SYMPOSIUM GRENOBLE 19?6
R E M E R C I E M E N T S
Ce travail a pu être effectué avec la collaboration de
Messieurs D. BOUICHOU, J. MANNINO, S. HASSAINI de Jeumont-Schneider
et de Messieurs R. DEVAUX, P. GARNAUD, G. PELCOT du CEA Cadarache.
Les expériences de Gennevilliers-n'auraient pu être menées à
bien sans les installations que l'EDF a mis à notre disposition.
Nous remercions particulièrement Messieurs R. BONNAFOUX, J. P. BERARD
et leurs équipes pour le concours qu'ils nous ont apporté.1
i fT^ r^^T^np" ~Y ^ J]'^-'^r]f\
S3nÔllSlU31DVWV0 S3Q 3 i n H D
o*
:
POMPE PRIMAIRE SUPER PHENIX
«fif JEU MONT-SCHNEIDER -CEA
CHUTE DE HAUTEUR F IGURE 4
NPSH
Q = 4 8 9 l/sec
T e a u = 20 # C
N = 1600 t r jmn
JEUMONT-SCHNEIDER _ C E A
6 .
5,8 J
5.6.
M .
5,2-
I N T E N S I T E R E L A T I V E DU BRUIT f
•ti^sST"^
if t\/
2L _ 5 L
^/-^.y \J
mm
1 w
< LU o
I cr u a
z i u *n
i \~ z o 2 111 -3
N
CHUTE DE HAUTEUR FIGURE 6
NPSH
<n H
T e a u : 53*C
N = 438 îr/mn
EUMONT-SCHNEIDER _CEA
H I M
Ui
c o
N I
O
Y
o
o
LU
U I
UJ
a UI z X u m i
i -2 O 21 Z) UJ -5
OJ
>Ja — o CM
(/> - O
>.. N^ "V
*« ,
1 <0
X Z
X a. I
cr a D CO IxJ QL
' <
z a: a. u a Z 0 a.
o t
CO Πy _J
>
z z LU o 0)
< O) CO Id
-M 1, n\ 1