基于流固耦合的核主泵叶轮结构力学分析

2018-04-11钟林涛

西部皮革 2018年5期

钟林涛

引言

核反应堆冷却剂泵简称核主泵，核主泵具有复杂结构和力学特性，其运行过程中涉及如进口流体撞击、叶片湍流激振、叶片脱流激振等非常复杂的“流-固”耦合作用；这些激振使得核主泵产生振动，而长时间的机组振动可能引起结构的疲劳破坏。因此，对其进行等效应力、应变的分析是非常必要的。核主泵作为旋转机械，若其结构的固有频率与工作的旋转频率重合或接近，会引起共振，这将对机组的稳定运行造成非常严重的影响和破坏。此外，在核主泵运行过程中各过流部件由于流体对其造成的激振也可能与其固有频率接近而发生共振。采用数值模拟的方法对核主泵中的核心关键部件进行结构的静力学和动力学数值模拟分析来预测零部件的的结构力学特性，相比于传统的实物试验，不仅可以提高核主泵设计的可靠性、缩短产品开发周期也可以降低开发成本。

1　全流道三维数值模拟

1.1　三维模型与网格划分

通过UG软件对核主泵水力部件的叶轮和导叶进行三维实体建模，并建立流体域模型。整个流体域划分为叶轮流体域和导叶流体域。为更接近真实流场的边界条件，对叶轮进口和蜗壳出口计算域进行适当的延伸。全流道采用适应性非常强的非结构化四面体网格，并在流动梯度较大处进行局部网格加密。划分结果，全流道无负网格，整体正交性大于0.15，网格质量符合要求，总网格数为4471543。

1.2　计算结果分析

在商业软件ANSYS的CFX中进行全流道三维数值求解，结果显示，两个外特性值：扬程95.23 m，效率76.73%；在设计工况下，数值模拟结果与模型试验结果较为接近，说明数值模拟结果符合模型试验值，选用网格类型和湍流模型能够较为准确的预测混流式核主泵的外特性。从计算云图中可以得到，叶轮叶片表面压力分布均匀，叶轮叶片压力侧的压强从进口向出口处逐渐增加；在叶轮叶片吸入面，靠近叶轮后盖板处存在一相对低压区，说明流体在吸入口进入叶轮时，存在局部脱流现象，造成此处的局部低压。叶轮叶片压力侧靠近叶轮出口处存在一个明显的高压区，说明流体从叶轮流出后冲击导叶，速度降低压力升高。

表1　前六阶模态固有频率

2　核主泵叶轮结构力学特性分析

2.1　载荷及约束的施加与处理

核主泵转子系统所受的载荷包括惯性力和表面力以及由温度载荷引起的热应力。惯性力包括核主泵转子系统自身的重力及旋转离心力，通过设置密度，重力加速度及旋转速度施加。表面力主要为作用在叶轮表面的流场压力，在workbench中引入流场的压力载荷，实现流场与压力的单向耦合，在叶轮后盖板密封处施加一固定压力，压力值为叶轮出口压力。泵轴与联轴器相接触的面设置为固定约束，确保整个核主泵转子系统不旋转和上下移动。

2.2　计算结果分析

Workbench结果显示：叶轮总变形趋势由叶轮进口向出口逐渐增大，且分布均匀，最大变形发生在叶片外缘靠近盖板处，变形量0.33 mm，轮毂处变形最小。由上1节叶轮全流道分析可知，叶轮的变形主要表现为由流场压力产生的弯曲和扭转变形以及离心力对叶轮的拉伸变形。叶轮等效应力大部分都在62.5 Mpa以下，远小于材料的屈服强度(220 Mpa)，最大应力出现在叶轮叶片与轮毂和后盖板的交界处，这是由于这些地方受力面积较小，流体压力载荷较大，因而等效应力较大。泵轴与叶轮交界处最大等效应力为37.5 Mpa。核主泵泵体最大等效应力出现在轴身与轴颈的直角交界处，最大等效应力为334.8 Mpa,这是由于在该直角过渡处存在应力集中现象，在轴身与轴颈的过渡处加上倒角可以有效的减少应力集中的现象。综上所述，核主泵转子系统的各重要部件的等效应力都远小于材料的屈服极限，泵体不会发生塑性变形，唯一超过材料屈服应力的部位来自于局部应力集中。