基于流固耦合的混流式核主泵葉輪模態(tài)分析

(西華大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 四川 成都 610039)

引言

混流式核主泵是核電站的“心臟”，也是核反應(yīng)堆一回路系統(tǒng)中唯一高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，其特殊的運(yùn)行環(huán)境對(duì)其可靠性要求較高，對(duì)核電站的安全穩(wěn)定的運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。

葉輪是核主泵的主要過流部件，其振動(dòng)特性將直接影響到核主泵的可靠性及安全穩(wěn)定性。因此，對(duì)核主泵葉輪的進(jìn)行模態(tài)分析顯得尤為重要，本文基于單向流固耦合對(duì)核主泵無預(yù)應(yīng)力和有預(yù)應(yīng)力(離心力和液體壓力)情況下進(jìn)行模態(tài)對(duì)比分析，探究了在設(shè)計(jì)工況下混爐式核主泵的振動(dòng)特性。

一、模態(tài)分析基本理論

模態(tài)分析是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，本文考慮的是無阻尼的模態(tài)分析，其動(dòng)力學(xué)問題的運(yùn)動(dòng)方程為

[M]{x″}+[K]{x}={0}

(1)

結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)為簡諧振動(dòng)，即位移為正弦函數(shù)

x=xsin(ωt)

(2)

代入式(1)得

([K]-ω2[M]){x}={0}

(3)

式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣，{x″}為加速度矢量，{x}位移矢量，ω為自振圓頻率。

二、有限元模型建立

混流式核主泵結(jié)構(gòu)計(jì)算只考慮葉輪(包括轉(zhuǎn)軸)如圖1所示，利用Workbench里自有網(wǎng)格劃分功能，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過網(wǎng)格無關(guān)性檢查，最終確定網(wǎng)格數(shù)為931984。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

葉輪結(jié)構(gòu)采用Z3CN20-09鑄造奧氏體不銹鋼，材料參數(shù)為：密度為7850kg/m3，彈性模量為179.47GPa，泊松比為0.3，屈服極限為255MPa。葉輪上的預(yù)應(yīng)力主要有離心力和流體壓力，離心力主要由葉輪密度、重力加速度及旋轉(zhuǎn)速度施加，流體壓力根據(jù)文獻(xiàn)1中穩(wěn)態(tài)模擬并計(jì)算得到的結(jié)果施加。

三、共振分析

由于旋轉(zhuǎn)部件對(duì)機(jī)械的振動(dòng)性能影響較大，其固有頻率如果同部件的旋轉(zhuǎn)以及內(nèi)部流動(dòng)產(chǎn)生的激振頻率重合或者相近，將會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，極易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致事故的發(fā)生。因此，出于結(jié)構(gòu)的安全可靠性考慮，有必要對(duì)葉輪的共振特性進(jìn)行研究。根據(jù)混流式核主泵葉輪轉(zhuǎn)速為1485 r/min，可以得出葉輪的一階激振頻率為

f=1485/60=24.75Hz

其中，各階激振頻率為一階激振頻率的相應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系。

如圖2所示，考慮預(yù)應(yīng)力(包括離心力和流體壓力)和無預(yù)應(yīng)力的情況下，葉輪葉片相應(yīng)的各階固有頻率相差不大，最大頻率差值分別為葉輪的第1階和第2階固有頻率，且有預(yù)應(yīng)力比無預(yù)應(yīng)力下的固有頻率分別下降的2.452 Hz和2.450 Hz。其中，第2階固有頻率與激振頻率很接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象。因此，在核主泵實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力作用下固有頻率的變化，以避免共振的發(fā)生。

圖2 前10階頻率對(duì)比

四、結(jié)論

考慮預(yù)應(yīng)力和無預(yù)應(yīng)力的情況下，葉輪葉片相應(yīng)的各階固有頻率相差不大，其中考慮預(yù)應(yīng)力下的第2階固有頻率與激振頻率很接近，容易發(fā)生共振現(xiàn)象。因此，在核主泵實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力作用下固有頻率的變化，以避免共振的發(fā)生。