飞轮断裂力学分析

哈尔滨电气动力装备有限公司 贾 鑫 杨 彬

1.前言

核反应堆冷却剂泵电机飞轮的主要功能是提供足够大的转动惯量，在正常运行时可以储备能量，以保证断电时通过释放能量驱动泵机组继续转动，从而使冷却剂流量缓慢下降，避免燃料损坏。鉴于飞轮质量大、转速高，一旦破裂，将造成冷却剂泵机组的剧烈振动，并有足够的动能产生飞射物，可能损坏反应堆冷却剂系统、安全壳或其它设备和系统，后果非常严重。因此对不同转速下飞轮的应力和变形进行分析，保证飞轮的完整性，使飞轮破裂的可能性降至最低，是非常重要的。

分别用传统的解析方法和有限元方法计算了飞轮在静止状态、正常转速和超速转速下（125%额定转速）的应力和变形。飞轮的强度应满足美国核管理委员会“标准审查大纲”5.4.1.1的规定。根据规范要求，计算了飞轮的延性断裂临界转速，并使其高于正常转速的2倍，本文主要介绍断裂力学的分析。

2.结构说明

主泵电机飞轮主要由飞轮圆盘和内衬套组成。两者采用过盈配合，然后一同组套在泵电动机的轴上。泵电动机超速运转时，为了防止飞轮破裂，使其及时从转轴上脱落是重要的。为此，设计中飞轮的内衬套与轴之间采用圆锥配合。

3.断裂力学分析

利用线弹性断裂力学理论，估算了飞轮的临界裂纹尺寸。分析中假设飞轮圆盘内圆表面有半椭圆表面裂纹，临界裂纹尺寸的大小由飞轮的工作应力和材料的断裂韧性来确定。考虑到主泵电动机的使用期限内大量的起、停机次数，导致应力低周循环，使飞轮组件中尚存的初始裂纹逐渐增长临界裂纹尺寸，飞轮体破裂，分析中假设40年使用寿命内约为15000次循环周期。

3.1 飞轮表面临界裂纹的估算

由线弹性断裂力学知识，应力强度因子：

对于表面半椭圆裂纹：

由（11.1）式可以得出裂纹尺寸：

临界裂纹尺寸：

这里，材料断裂韧性：

形状因子：

脱落转速时的环向应力：

计算得临界裂纹尺寸：

远大于漏检缺陷尺寸1.6mm，安全。

3.2 断裂寿命评估

计算时，初始裂纹尺寸取为预期漏检缺陷的最大尺寸1.6mm，为使计算偏于安全，将缺陷尺寸扩大10倍，即ai=16mm

裂纹扩展速率为发：

其中c和n是与试验条件有关的材料参数。

应力强度因子波动幅：

将数据带入公式中便得到断裂寿命，N=46830000次，按泵电动机安全运行40年的寿期，其低周疲劳应力循环周期约为15000次，4683000>1500，合格。

3.3 安全性评估

飞轮以正常转速运转时的应力强度因子：

将数据带入公式得到应力强度因子：

KI=5218，安全。

4.结论

经计算，在飞轮内表面假设存在允许的最大缺陷1.6mm时，飞轮的断裂寿命及安全性评估均满足要求。

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