基于ANSYS核级风机结构抗震性能分析①

2012-06-20王宇飞

佳木斯大学学报（自然科学版） 2012年5期

王宇飞，钱江

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

上虞金盾风机有限公司委托同济大学结构工程与防灾研究所对G4－73No11D型风机的结构抗震性能进行计算分析，目的是验证该设备在自重、风内压、叶轮离心力及地震作用下的变形和受力状态，并对结构强度及抗震安全性进行评估.

1 上虞金盾G4－73No11D型风机结构描述

G4－73No11D型核级风机结构主要由机壳、叶轮、叶片、轴承支架、轴承和电机等组成，总设计质量约为2200kg.其中，风机质量约为930kg，底座质量约为 360kg，核级电机约为 85kg.G4－73No11D型核级风机壳体的材料主要是Q235B，叶轮部及传动轴分别采用16Mn(Q345)及40Cr.紧固螺栓为4.8级(相当于 GB 10.9级).

2 分析模型的建立

本文采用国际通用的大型有限元结构分析程序ANSYS，对上虞金盾G4－73No11D型风机进行地震工况下的分析.建立计算模型采用的坐标系统(X，Y，Z)如下定义:取风机轴方向为X轴方向，高度方向为Z轴方向，底座短边方向为Y轴方向.

G4－73No11D型离心风机结构的主要受力部件机壳组件采用壳体单元SHELL63模拟;传动轴及支架采用梁单元BEAM188模拟;槽钢底座用壳单元SHELL63模拟;加强筋用壳体单元SHELL63模拟;将电机简化为一筒体，不模拟其刚度影响，仅考虑其质量分布.

核级风机计算模型示意图如图1所示.整个计算模型共计单元数54782、节点数50864，计算总质量约 2185.0kg.

图1 计算模型透视图

图2 底座及螺栓分布图

3 抗震分析

模态分析

计算了G4－73No11D型核级风机结构的前80阶模态，频率值介于 13.883 ～ 198.782Hz，其X，Y，Z三个方向主导模态的频率分别为13.883 Hz(第 1 阶)、15.460 Hz(第2 阶)、27.347 Hz(第7阶)，表1给出系统前6阶模态频率值及其振动特征，模态示意图分别如图1所示.

表2给出结构前80阶模态总参与质量及其与结构静质量的百分比值.

表1 G4－73No11D型核级风机整体结构的固有频率

表2 G4－73No11D型核级风机整体结构前80阶模态总参与质量

4 地震作用与自重、压力、离心力工况组合

4.1 重量荷载(DW)

G4－73No11D型离心风机结构及其附属连接件自重，重力加速度取值g=9.81m/s2.

4.2 压力(Po)

风机运行时的设计风机静压为1715Pa;

4.3 运行荷载(OL)

风机运行时叶轮组受到的离心力(设计转速为960rpm).

4.4 地震荷载(SL1，SL2)

SL1为厂区运行安全地震动，SL2为厂区极限安全地震动.地震荷载由厂区地震输入设计楼层反应谱作用到机组结构上计算得到.

根据上虞金盾风机有限公司提供的某核电厂电气厂房标高0.00m楼面反应谱进行抗震分析计算.SL1阻尼比取0.02，谱值取楼层反应谱列表值×1.0;SL2阻尼比取0.04，谱值取楼层反应谱列表值×2.0.楼层反应谱典型频率点的加速度值列于表4.1(见图3和4).

4.5 荷载组合

考虑的荷载组合如下:

(1)正常工况(A级使用荷载)荷载组合为:DW+Po+OL;

图3 水平向输入地震设计反应谱

图4 竖向输入地震设计反应谱

(2)异常工况(B级使用荷载)荷载组合为:DW+Po+OL±SL1;

(3)紧急工况(C级使用荷载)荷载组合为:DW+Po+OL±SL2;

(4)事故工况(D级使用荷载)荷载组合为:DW+Po+OL±SL2;对比各工况荷载可知:异常工况可包络正常工况，紧急工况与事故工况荷载相同，但其材料的应力许用限值低，故紧急工况评定结论可包络事故工况.

4.6 边界条件

风机底部台座与建筑结构连接处为固定端位移边界条件.

5 风机变形、螺栓及风机轴应力计算结果

B级使用荷载作用下，整体结构的最大变形发生在机壳部位，最大应力强度则出现在叶轮上;D级使用荷载作用时，整体结构的最大变形发生在机壳部位，最大应力强度则出现在底座上.

表3 最不利减震底座地脚螺栓处的地震响应应力(MPa)

表4 风机轴最不利组合应力结果(MPa)

6 核级风机结构性能评定

表5 B级工况风机结构各主要部件最不利截面应力评定

表6 D级工况风机结构各主要部件最不利截面应力评定

表7 最不利减震底座地脚螺栓的地震响应应力评定

表8 风机轴最不利截面应力评定

7 风机变形评定

风机叶片与进风口之间设计最小径向间隙为dmax=6.0mm，风机正常运行要求其转动部件不得与周边其它部件发生碰触，并满足表9给定的限值［2］.外荷载作用下，风机叶片与进风口之间径向间隙的相对减小值不会大于风机叶片单独的变形数值.取叶轮最大组合变形SUM值作为风机叶片与进风口之间径向间隙的相对减小值进行变形评定是保守的，风机叶片间隙变形评定结果列于表10.风机的变形满足产品设计要求.