基于流固耦合的混流式核主泵叶轮模态分析

2019-04-04

福建质量管理 2019年7期

(西华大学能源与动力工程学院四川成都 610039)

引言

混流式核主泵是核电站的“心脏”，也是核反应堆一回路系统中唯一高速旋转的设备，其特殊的运行环境对其可靠性要求较高，对核电站的安全稳定的运行有着至关重要的作用。

叶轮是核主泵的主要过流部件，其振动特性将直接影响到核主泵的可靠性及安全稳定性。因此，对核主泵叶轮的进行模态分析显得尤为重要，本文基于单向流固耦合对核主泵无预应力和有预应力(离心力和液体压力)情况下进行模态对比分析，探究了在设计工况下混炉式核主泵的振动特性。

一、模态分析基本理论

模态分析是最基本的动力学分析，本文考虑的是无阻尼的模态分析，其动力学问题的运动方程为

[M]{x″}+[K]{x}={0}

(1)

结构的自由振动为简谐振动，即位移为正弦函数

x=xsin(ωt)

(2)

代入式(1)得

([K]-ω2[M]){x}={0}

(3)

式中：[M]为质量矩阵，[K]为刚度矩阵，{x″}为加速度矢量，{x}位移矢量，ω为自振圆频率。

二、有限元模型建立

混流式核主泵结构计算只考虑叶轮(包括转轴)如图1所示，利用Workbench里自有网格划分功能，采用四面体非结构网格，通过网格无关性检查，最终确定网格数为931984。

图1 叶轮结构示意图

叶轮结构采用Z3CN20-09铸造奥氏体不锈钢，材料参数为：密度为7850kg/m3，弹性模量为179.47GPa，泊松比为0.3，屈服极限为255MPa。叶轮上的预应力主要有离心力和流体压力，离心力主要由叶轮密度、重力加速度及旋转速度施加，流体压力根据文献1中稳态模拟并计算得到的结果施加。

三、共振分析

由于旋转部件对机械的振动性能影响较大，其固有频率如果同部件的旋转以及内部流动产生的激振频率重合或者相近，将会引起结构的共振现象，极易产生结构破坏，导致事故的发生。因此，出于结构的安全可靠性考虑，有必要对叶轮的共振特性进行研究。根据混流式核主泵叶轮转速为1485 r/min，可以得出叶轮的一阶激振频率为

f=1485/60=24.75Hz

其中，各阶激振频率为一阶激振频率的相应的倍数关系。

如图2所示，考虑预应力(包括离心力和流体压力)和无预应力的情况下，叶轮叶片相应的各阶固有频率相差不大，最大频率差值分别为叶轮的第1阶和第2阶固有频率，且有预应力比无预应力下的固有频率分别下降的2.452 Hz和2.450 Hz。其中，第2阶固有频率与激振频率很接近，容易发生共振现象。因此，在核主泵实际运行中应考虑预应力作用下固有频率的变化，以避免共振的发生。