鐘林濤

引言

核反應(yīng)堆冷卻劑泵簡(jiǎn)稱核主泵，核主泵具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，其運(yùn)行過(guò)程中涉及如進(jìn)口流體撞擊、葉片湍流激振、葉片脫流激振等非常復(fù)雜的“流-固”耦合作用；這些激振使得核主泵產(chǎn)生振動(dòng)，而長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)組振動(dòng)可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。因此，對(duì)其進(jìn)行等效應(yīng)力、應(yīng)變的分析是非常必要的。核主泵作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，若其結(jié)構(gòu)的固有頻率與工作的旋轉(zhuǎn)頻率重合或接近，會(huì)引起共振，這將對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的影響和破壞。此外，在核主泵運(yùn)行過(guò)程中各過(guò)流部件由于流體對(duì)其造成的激振也可能與其固有頻率接近而發(fā)生共振。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)核主泵中的核心關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析來(lái)預(yù)測(cè)零部件的的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，相比于傳統(tǒng)的實(shí)物試驗(yàn)，不僅可以提高核主泵設(shè)計(jì)的可靠性、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期也可以降低開發(fā)成本。

1　全流道三維數(shù)值模擬

1.1　三維模型與網(wǎng)格劃分

通過(guò)UG軟件對(duì)核主泵水力部件的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行三維實(shí)體建模，并建立流體域模型。整個(gè)流體域劃分為葉輪流體域和導(dǎo)葉流體域。為更接近真實(shí)流場(chǎng)的邊界條件，對(duì)葉輪進(jìn)口和蝸殼出口計(jì)算域進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由?。全流道采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并在流動(dòng)梯度較大處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。劃分結(jié)果，全流道無(wú)負(fù)網(wǎng)格，整體正交性大于0.15，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求，總網(wǎng)格數(shù)為4471543。

1.2　計(jì)算結(jié)果分析

在商業(yè)軟件ANSYS的CFX中進(jìn)行全流道三維數(shù)值求解，結(jié)果顯示，兩個(gè)外特性值：揚(yáng)程95.23 m，效率76.73%；在設(shè)計(jì)工況下，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果較為接近，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果符合模型試驗(yàn)值，選用網(wǎng)格類型和湍流模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)混流式核主泵的外特性。從計(jì)算云圖中可以得到，葉輪葉片表面壓力分布均勻，葉輪葉片壓力側(cè)的壓強(qiáng)從進(jìn)口向出口處逐漸增加；在葉輪葉片吸入面，靠近葉輪后蓋板處存在一相對(duì)低壓區(qū)，說(shuō)明流體在吸入口進(jìn)入葉輪時(shí)，存在局部脫流現(xiàn)象，造成此處的局部低壓。葉輪葉片壓力側(cè)靠近葉輪出口處存在一個(gè)明顯的高壓區(qū)，說(shuō)明流體從葉輪流出后沖擊導(dǎo)葉，速度降低壓力升高。

表1　前六階模態(tài)固有頻率

2　核主泵葉輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

2.1　載荷及約束的施加與處理

核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受的載荷包括慣性力和表面力以及由溫度載荷引起的熱應(yīng)力。慣性力包括核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自身的重力及旋轉(zhuǎn)離心力，通過(guò)設(shè)置密度，重力加速度及旋轉(zhuǎn)速度施加。表面力主要為作用在葉輪表面的流場(chǎng)壓力，在workbench中引入流場(chǎng)的壓力載荷，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)與壓力的單向耦合，在葉輪后蓋板密封處施加一固定壓力，壓力值為葉輪出口壓力。泵軸與聯(lián)軸器相接觸的面設(shè)置為固定約束，確保整個(gè)核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不旋轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)。

2.2　計(jì)算結(jié)果分析

Workbench結(jié)果顯示：葉輪總變形趨勢(shì)由葉輪進(jìn)口向出口逐漸增大，且分布均勻，最大變形發(fā)生在葉片外緣靠近蓋板處，變形量0.33 mm，輪轂處變形最小。由上1節(jié)葉輪全流道分析可知，葉輪的變形主要表現(xiàn)為由流場(chǎng)壓力產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形以及離心力對(duì)葉輪的拉伸變形。葉輪等效應(yīng)力大部分都在62.5 Mpa以下，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度(220 Mpa)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉輪葉片與輪轂和后蓋板的交界處，這是由于這些地方受力面積較小，流體壓力載荷較大，因而等效應(yīng)力較大。泵軸與葉輪交界處最大等效應(yīng)力為37.5 Mpa。核主泵泵體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在軸身與軸頸的直角交界處，最大等效應(yīng)力為334.8 Mpa,這是由于在該直角過(guò)渡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在軸身與軸頸的過(guò)渡處加上倒角可以有效的減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。綜上所述，核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各重要部件的等效應(yīng)力都遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，泵體不會(huì)發(fā)生塑性變形，唯一超過(guò)材料屈服應(yīng)力的部位來(lái)自于局部應(yīng)力集中。

3　結(jié)論

基于流固耦合的核主泵葉輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析，兼顧流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，結(jié)算精度較高，應(yīng)力-應(yīng)變分布直觀形象，可以為核主泵的可靠性設(shè)計(jì)提供一定的利潤(rùn)參考。

1)在設(shè)計(jì)工況下，葉輪葉片應(yīng)力在整個(gè)圓周方向呈對(duì)稱分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與輪轂和后蓋板交界處，總體等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會(huì)發(fā)生塑性變形。同時(shí)，葉輪變形發(fā)生在葉片外緣處，主要表現(xiàn)為流場(chǎng)壓力產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

2)通過(guò)模態(tài)分析得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前六階固有頻率，其各階固有頻率遠(yuǎn)高于核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行頻率，核主泵發(fā)生共振的可能性極小，具有很大的安全裕度。

參考文獻(xiàn)：

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