一种余热排出泵抗震分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种余热排出泵抗震分析方法，首先，通过对泵模型运行工况及载荷进行分析，并通过分析地震资料，进行地震反应谱设计；其次，采用有限元计算程序计算，得到设备在静止状态下受地震力时的应力变化情况；然后，采用基于流固耦合的方法对转子系统进行流动诱导振动计算，得到设备内旋转的流体对结构产生的最大应力；再后，对各振型最大反应值进行组合；最后，根据材料属性和静止部件和转子部件间的最小间隙进行校核。本发明计算了旋转流体对设备的作用力，考虑了最极端工况下核电用旋转机械设备的应力计算，提高了抗震分析计算的准确性。
【专利说明】一种余热排出泵抗震分析方法
【技术领域】
[0001]本发明提出一种抗震分析方法，适用于核电用离心式余热排出泵的抗震分析方法。
【背景技术】
[0002]核电是一种清洁能源，在人们越来越重视地球温室效应、气候变化的形势下，大力发展核电，满足电力需求、优化能源结构、保障能源安全，已成为政府和社会各界的共识。核电事业的大力发展为核电用旋转机械创造了巨大的市场，同时对产品的可靠性提出越来越高的要求。离心式余热排出泵大多与核岛的热传送有关，其内部流动复杂，存在热冲击及强烈的流动激振力。另一方面，随着地质灾害尤其是地震的频繁发生，人们越来越意识到其巨大的危害性。2011年03月14日，日核电站面临再爆炸风险，属于抗震能力设计不足惹祸；2010年的伊朗6.5级地震；2008年的四川地震等，这些地震摆在我们工程设计人员面前，给我们研究核电站的防震能力及抗震分析手段提出更高的要求。
[0003]百万千瓦级核电站离心式余热排出泵是核电站一回路的余热排出系统(RRA)的重要组成部分，属核二级泵，是最关键的核动力设备之一。它位于安全壳内，用于保证在反应堆正常停堆和事故停堆后带出堆芯的衰变热，维持核电厂处于安全状态，抗震要求为I类。该泵运行工况复杂，流体流动对泵结构的可靠性影响较大。且在开始运行时，从投入到反应堆热停堆工况，此时一回路水温为18(TC，故存在常温至180°C的热冲击。因此，设计产品时，如何保证在发生安全停堆地震(SSE)期间及其后，能保持承压特性，完成排出核岛余热的功能是亟需解决的问题。抗震分析主要有抗震试验和抗震计算两种方法，由于实验室中很难模仿出核电设备的真实运行环境，离心式余热排出泵的抗震分析一般采用数值计算为主，并进行部分试验验证的方法来进行。常用抗震分析数值计算方法有等效静力法、反应谱法和时间历程法，单纯采用这些方法对如房屋、桥梁等静止物件进行地震条件下的受力计算具有很好的精度。但是这些方法很难考虑到离心式余热排出泵转子在安全停堆地震(SSE)期间的作用，并且无法考虑离心式余热排出泵内部输送的流体对结构作用力的影响。因此，研究核电用余热排出泵抗震分析方法，制定相关计算准则，是核电用大型旋转机械设备国产化研制必须解决的问题。
[0004]由于国外在核电技术上的保密，在核电离心式余热排出泵的抗震分析方面，国内许多高校和制造厂商都开展了相关的研究工作，如:中国核设计研究院、清华大学、上海交通大学、大连深蓝、沈阳水泵股份有限公司和大连理工大学等。到目前为止，均采用数值计算结合部分试验验证的方法。在计算时采用等效静力法或反应谱法对在安全停堆地震(SSE)期间的核电用泵进行变形计算，再进行校核，但如何考虑泵内部流体流动的影响还没见相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为离心式余热排出泵提供一种抗震分析数值计算方法，在部分试验验证的前提下，使抗震分析数值计算的结果更精准，为设备的结构设计提供更准确的计算结果。且该方法能够较好地克服传统计算方法中未考虑旋转流体产生的激振力等缺点。
[0006]离心式余热排出泵抗震分析的实质是:离心式余热排出泵在安全停堆地震(SSE)期间及其后保持可运行性，即结构的材料在所受载荷的共同作用下满足强度要求，并且转动件与静止件之间的相对变形应小于它们之间的间隙，不影响运转。
[0007]一种余热排出泵抗震分析方法:包括如下步骤，A对余热排出泵做初步结构设计，并对余热排出泵的工况及载荷进行分析，根据极端事故工况(SSE)或是正常运行工况(OBE)设计要求，来选择不同阻尼比的楼层响应谱，并根据楼层反应谱，拟合出人工地震波和人工地震波反应谱；B采用三维造型工具，对余热排出泵零部件进行有限元建模，包括转子系统、定子系统、轴承箱和底座，所述转子系统由叶轮、泵轴和叶轮螺母构成；所述定子系统由泵盖、泵体、导叶、出口法兰、入口法兰、机械密封和密封函体构成；所述轴承箱由轴承体、轴承压盖、轴承体外管和轴承体支架构成；通过分析受力情况对定子系统、轴承箱和底座及转子系统进行模态计算，并进行相关模态试验验证；C根据模态计算结果进行计算方法选择；如果模态计算结果均大于33Hz，采用等效静力法来进行抗震分析，并对转子系统的临界转速进行校核；如果模态计算结果小于33Hz，则必须采用反应谱法或时间历程法进行抗震分析；D对余热排出泵流体域进行计算流体力学(CFD)建模，建模时应基于全流场进行试验室条件下的流场计算，并进行外特性试验验证；E对定子系统、轴承箱和底座进行地震力应力计算，对转子系统采用流固耦合的方法进行流动诱导振动计算，涉及温度变化的还要考虑流体热影响；F对各振型的最大反应值按平方和的平方根(SRSS)或完全二次型组合(CQC)进行组合；G根据材料属性进行应力校核，根据法国RCC-M 2000标准，对余热排出泵零部件的材料属性进行设置，通过地震反应模拟得到余热排出泵零部件的应力分布，将应力值与法国RCC-M 2000标准中规定的许用应力比较，进行应力校核；另外还进行定子系统、轴承箱和底座与转子系统之间的相对变形校核，针对余热排出泵的结构特点，进行了 口环间隙和叶轮出口变形的研究，同时考虑了地震载荷和流体激振力的影响。将间隙减去由地震载荷和流体激振力载荷产生的变形量，对得到的余量进行校核，若大于零，即满足要求；H薄弱环节修正；当通过步骤G判定余热排出泵的抗震性能的可靠度不满足要求时，应当对薄弱环节进行加固修正后，再重复步骤A至步骤G。当通过步骤G判定余热排出泵的抗震性能的可靠度满足抗震要求时，结束分析，制造样机。
[0008]上述方案中，在进行有限元建模时应对细节简化，忽略圆角等对模态计算结果影响不大又增加计算资源的结构。
[0009]上述方案中，涉及温度变化的在考虑流体热影响时是通过在流场计算软件中设置流体属性，采用随时间变化的流体温度属性来实现的。
[0010]本发明的优点在于:采用结合地震力受力分析和流动诱导振动的计算方法，考虑了地震载荷下旋转流体对转子的激振力的影响，能进行最极端工况下核电用旋转机械设备的应力及位移校核，大大提高了抗震分析计算的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1:传统抗震分析数值计算流程图。
[0012]图2:本发明采用的抗震分析数值计算流程图。[0013]图3:有限元计算流程图。
[0014]图4:计算流体力学数值计算泵流场流程图。
[0015]图5:基于双向流固稱合的流动诱导振动计算流程图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
[0017]参见图1-图5，本余热排出泵抗震分析方法，包括以下步骤:
步骤一、结构初步设计,根据核电站相关技术要求，对余热排出泵做初步结构设计。
[0018]根据核电站对余热排出泵的功能要求，设计核电站用余热排出泵。同时满足余热排出泵的水力性能要求和结构刚度大的要求。流量仏=910 m2h-11，扬程/Zdes =77m，转速/7d=1490rpm, Λ 口直径久=270mm,叶轮出口直径D2 =513mm，叶片出口宽度62=49mm。
[0019]步骤二、采用三维造型工具，对该泵的主要零部件进行有限元建模。
[0020]由初步结构设计及核电用余热排出泵的结构特点，利用计算机通过有限元软件，合理选择建模方式及模型边界条件处理方式。
[0021]根据初步结构设计的核电用余热排出泵的结构特点，利用有限元的理论知识，对核电用余热排出泵的几何模型进行简化，在高级计算机的操作平台上，通过有限元软件建立有限元模型；根据核电用余热排出泵的安装固定方案，建立模型边界条件，完成计算模型的建立。本实施例采用全三维结构，对余热排出泵转子部件、定子部件、支架及底座三部分进行有限元建模，以达到最大准确度的目的。
[0022]步骤三、对模型泵工况及载荷分析，进行地震反应谱设计，分别对设备静止部件及转子系统进行模态计算。
[0023]根据核电用余热排排出泵的结构设计，确定核电用余热排出泵的工作状态，假定为事故工况，和地震载荷输入条件为极值，根据极端事故工况SSE来设计，如下表所示。并根据楼层反应谱，拟合出人工地震波和人工地震波反应谱。利用有限元软件对核电用余热排出泵静止和转子部件进行模态分析，得到振动基频和振型。
[0024]水平方向地震输入加速度谱
【权利要求】
1.一种余热排出泵抗震分析方法，包括如下步骤: A对余热排出泵做初步结构设计，并对余热排出泵的工况及载荷进行分析，根据极端事故工况(SSE)或是正常运行工况(OBE)设计要求，来选择不同阻尼比的楼层响应谱，并根据楼层反应谱，拟合出人工地震波和人工地震波反应谱； B采用三维造型工具，对余热排出泵零部件进行有限元建模，包括转子系统、定子系统、轴承箱和底座，所述转子系统由叶轮、泵轴和叶轮螺母构成；所述定子系统由泵盖、泵体、导叶、出口法兰、入口法兰、机械密封和密封函体构成；所述轴承箱由轴承体、轴承压盖、轴承体外管和轴承体支架构成；通过分析受力情况对定子系统、轴承箱和底座及转子系统进行模态计算，并进行相关模态试验验证； C根据模态计算结果进行计算方法选择；如果模态计算结果均大于33Hz，采用等效静力法来进行抗震分析，并对转子系统的临界转速进行校核；如果模态计算结果小于33Hz，则必须采用反应谱法或时间历程法进行抗震分析； D对余热排出泵流体域进行计算流体力学(CFD)建模，建模时应基于全流场进行试验室条件下的流场计算，并进行外特性试验验证； E对定子系统、轴承箱和底座进行地震力应力计算，对转子系统采用流固耦合的方法进行流动诱导振动计算，涉及温度变化的还要考虑流体热影响； F对各振型的最大反应值按平方和的平方根(SRSS)或完全二次型组合(CQC)进行组合； G根据材料属性进行应力校核，根据法国RCC-M 2000标准，对余热排出泵零部件的材料属性进行设置，通过地震反应模拟得到余热排出泵零部件的应力分布，将应力值与法国RCC-M 2000标准中规定的许用应力比较，进行应力校核；另外还进行定子系统、轴承箱和底座与转子系统之间的相对变形校核，针对余热排出泵的结构特点，进行了 口环间隙和叶轮出口变形的研究，同时考虑了地震载荷和流体激振力的影响；将间隙减去由地震载荷和流体激振力载荷产生的变形量，对得到的余量进行校核，若大于零，即满足要求； H薄弱环节修正；当通过步骤G判定余热排出泵的抗震性能的可靠度不满足要求时，应当对薄弱环节进行加固修正后，再重复步骤A至步骤G，当通过步骤G判定余热排出泵的抗震性能的可靠度满足抗震要求时，结束分析，制造样机。
2.根据权利要求1所述的一种余热排出泵抗震分析方法，其特征在于，步骤B中进行有限元建模时应对细节简化，忽略圆角等对模态计算结果影响不大又增加计算资源的结构。
3.根据权利要求1所述的一种余热排出泵抗震分析方法，其特征在于，步骤E中考虑流体热影响是通过在流场计算软件中设置流体属性，采用随时间变化的流体温度属性来实现。
【文档编号】G06F17/50GK103927416SQ201410143186
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月11日 优先权日:2014年4月11日
【发明者】司乔瑞, 袁寿其, 邓鑫, 袁建平, 裴吉, 周邦伦 申请人:江苏大学