陳剛，張貴濱

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

?

核電屏蔽電機(jī)主泵大慣量飛輪技術(shù)

陳剛，張貴濱

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

根據(jù)大慣量飛輪應(yīng)力強(qiáng)度需滿足要求，以確保反應(yīng)堆的安全的要求。分別采用解析分析方法與有限元分析方法，對額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下飛輪的一次應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行評定，結(jié)果表明飛輪的一次應(yīng)力強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。兩種方法的分析結(jié)果一致，論證了飛輪的一次應(yīng)力分析結(jié)果是切實(shí)可行的。

屏蔽電機(jī)主泵；大慣量；飛輪；一次應(yīng)力

0 引言

屏蔽主泵系立式、單級、無軸封、高慣量離心泵，用來輸送高溫、高壓、大流量的反應(yīng)堆冷卻劑，是有效調(diào)整反應(yīng)堆溫度、保證反應(yīng)堆安全的重要設(shè)備。為了保證屏蔽主泵在反應(yīng)堆緊急停堆或全廠斷電事故等工況下，仍能提供一定的惰轉(zhuǎn)流量，繼續(xù)驅(qū)動反應(yīng)堆冷卻劑循環(huán)，冷卻堆芯，為緊急停堆操作提供必要的緩沖時間，因此在屏蔽主泵電機(jī)軸上安裝大慣量的飛輪，保證主泵停堆后具有足夠的惰轉(zhuǎn)能力，從而保證反應(yīng)堆的安全。

飛輪除具有一定轉(zhuǎn)動慣量外，還應(yīng)保證飛輪結(jié)構(gòu)部件在額定轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速等工況下應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求，以確保飛輪結(jié)構(gòu)的完整性，保證反應(yīng)堆的安全可靠運(yùn)行。本文分別采用解析計(jì)算方法與有限元計(jì)算方法對飛輪的應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行分析，并依據(jù)法規(guī)要求對分析結(jié)果進(jìn)行判定，結(jié)果表明飛輪部件的應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求。

1 飛輪結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 飛輪結(jié)構(gòu)

屏蔽電機(jī)主泵飛輪材料為高密度鎢基合金金屬材料，該種材料密度約為18.4g/cm3。在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下，為滿足轉(zhuǎn)動慣量要求，將鎢基合金盡量放置在輪轂外沿，充分發(fā)揮鎢基合金的有效作用。由于質(zhì)量大的鎢基合金在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生大的離心力，進(jìn)而產(chǎn)生了大的飛射物能量，為了減少可能成為飛射物的碎塊質(zhì)量及飛射物能量需要減少飛射物的質(zhì)量，因此鎢基合金采用分瓣的扇形塊結(jié)構(gòu)。為保證在正常運(yùn)行工況、瞬態(tài)工況甚至事故工況下，鎢合金質(zhì)量之間不會產(chǎn)生相對位移而影響主泵轉(zhuǎn)子良好的動平衡狀態(tài)，在鎢合金扇形塊外熱套一定壁厚且具有高強(qiáng)度的保持環(huán)，并具有足夠的過盈量，使得高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下鎢合金塊產(chǎn)生的離心力完全由保持環(huán)承受，確保飛輪結(jié)構(gòu)的完整。在飛輪兩個端面及外側(cè)分別設(shè)置不銹鋼蓋板及屏蔽外套，與飛輪輪轂構(gòu)成封閉腔體，避免高強(qiáng)度的保持環(huán)與鎢合金塊受到反應(yīng)堆冷卻劑的腐蝕。

1.2 飛輪材料特性

飛輪材料特性見表1。

表1 飛輪材料特性

注：材料特性中屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均為設(shè)計(jì)溫度下的材料特性參數(shù)。

1.3 飛輪設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

飛輪應(yīng)力強(qiáng)度分析要求飛輪在額定轉(zhuǎn)速工況、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速(125%額定轉(zhuǎn)速)工況下具有足夠的強(qiáng)度，飛輪額定轉(zhuǎn)速為1500rpm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為1875rpm。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：(1)額定轉(zhuǎn)速下，飛輪一次應(yīng)力不應(yīng)超過最小屈服強(qiáng)度的1/3；(2)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，飛輪一次應(yīng)力不應(yīng)超過最小屈服強(qiáng)度的2/3。

2 飛輪應(yīng)力分析

2.1 飛輪應(yīng)力強(qiáng)度解析法分析

2.1.1 飛輪分析模型

飛輪應(yīng)力強(qiáng)度解析法采用沿軸橫截面建立的軸對稱模型進(jìn)行分析，r1，r2分別為輪轂的內(nèi)外徑；r3為鎢合金塊外徑；r4為保持環(huán)外徑；h為輪轂、鎢合金塊、保持環(huán)的軸向高度。

2.1.2 飛輪保持環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度解析分析

飛輪保持環(huán)采用熱套的方式裝配到鎢合金塊外側(cè)，使得鎢合金塊形成均勻的圓環(huán)狀，確保飛輪的結(jié)構(gòu)完整。在飛輪高速旋轉(zhuǎn)過程中，由鎢合金塊產(chǎn)生的離心力作用在保持環(huán)內(nèi)徑處，產(chǎn)生一次應(yīng)力。

(1)

式中，σp—鎢合金塊離心力作用產(chǎn)生的一次薄膜應(yīng)力，MPa；ρw—鎢合金塊的密度，g/cm3；w—旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；g—重力加速度，m/s2。

同時由于保持環(huán)自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一次應(yīng)力

(2)

式中，σθ—保持環(huán)自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，MPa；ρc—保持環(huán)的密度，g/cm3；v—材料泊松比。因此總的一次應(yīng)力為上述應(yīng)力之和，即

σhoop=σp+σθ

(3)

但是，考慮到工藝制造過程中飛輪整體結(jié)構(gòu)的緊湊性及實(shí)際運(yùn)行工況下對飛輪外側(cè)屏蔽外套產(chǎn)生過大的應(yīng)力，在保持環(huán)外圓邊緣處進(jìn)行加工以滿足上述要求，見圖3。

由于保持環(huán)外緣的加工，使得保持環(huán)有效厚度減小，按照模型中沿軸橫截面的面積不變原則，確定保持環(huán)有效厚度減小量。

(4)

保持環(huán)有效厚度的減小導(dǎo)致保持環(huán)的應(yīng)力對應(yīng)增大，根據(jù)有效厚度的減小量，引入應(yīng)力幅值增大因子。

(5)

因此，確定保持環(huán)最終的一次應(yīng)力為

σhoop′=kσhoop

2.1.3 飛輪輪轂應(yīng)力強(qiáng)度解析分析

飛輪輪轂的應(yīng)力是由輪轂自身旋轉(zhuǎn)引起的

(6)

式中，σh—輪轂自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力，MPa；ρh—輪轂的密度，g/cm3；v—材料泊松比。

2.1.4 應(yīng)力強(qiáng)度解析法分析結(jié)果

按照上述分析計(jì)算方法，對飛輪保持環(huán)及輪轂在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 飛輪一次應(yīng)力解析分析結(jié)果

2.2 飛輪應(yīng)力強(qiáng)度有限元法分析

2.2.1 飛輪有限元分析模型

利用ANSYS有限元軟件對飛輪應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算分析，考慮到飛輪結(jié)構(gòu)及其載荷的對稱性，在建立模型過程中軸、輪轂、鎢金塊、保持環(huán)均取整體結(jié)構(gòu)的1/12，分析時采用實(shí)體單元類型，同時進(jìn)行環(huán)向位移約束，并對軸斷面加以軸向約束，軸和輪轂、鎢金塊和保持環(huán)之間的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸模擬熱套配合，計(jì)算模型如圖4所示。

2.2.2 飛輪保持環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度有限元分析

對飛輪保持環(huán)在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖5和圖6所示。

2.2.3 飛輪輪轂應(yīng)力強(qiáng)度有限元分析

對飛輪輪轂在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖7和圖8所示。

2.2.4 應(yīng)力強(qiáng)度有限元分析結(jié)果

利用有限元分析軟件對飛輪保持環(huán)及輪轂在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 飛輪一次應(yīng)力有限元分析結(jié)果

3 飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對比與評定

分別采用解析分析方法與有限元分析方法，計(jì)算了飛輪保持環(huán)與輪轂在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下的一次應(yīng)力，并依據(jù)飛輪應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對分析結(jié)果進(jìn)行評定，結(jié)果證明飛輪一次應(yīng)力均滿足要求。同時對解析分析方法與有限元分析方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果基本一致，證明了兩種方法的可行性。飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對比與評定見表4。

表4 飛輪應(yīng)力分析結(jié)果對比與評定

單位：MPa

4 結(jié)語

本文應(yīng)用解析分析方法及有限元分析方法，對額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速工況下飛輪的一次應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算分析，并對分析結(jié)果進(jìn)行對比評定，得到以下結(jié)論。

(1)采用兩種方法計(jì)算了飛輪保持環(huán)及輪轂在額定轉(zhuǎn)速及設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的一次應(yīng)力，一次應(yīng)力值均小于設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中的應(yīng)力限值，滿足應(yīng)力強(qiáng)度要求。

(2)將解析法分析結(jié)果與有限元法分析結(jié)果對比，得出兩種方法計(jì)算結(jié)果基本一致，證明飛輪一次應(yīng)力分析結(jié)果是切實(shí)可行的。

[1] 李夢啟.AP1000三代核電反應(yīng)堆冷卻劑泵屏蔽電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2009.8.

[2] 林誠格.非能動安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M].北京：原子能出版社，2010.10.

[3] 葛磊，王德忠，張繼革.屏蔽電機(jī)主泵慣性飛輪完整性分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.6.

[4] 李竺天，鞠紅惠.主循環(huán)泵慣性飛輪完整性分析[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014.4.

[5] 張貴濱.冷卻劑泵電機(jī)飛輪完整性分析[J].民營科技，2010.6.

[6] 江笑克，呂康，俞劍江.AP1000(第三代核電)屏蔽主泵與濕定子主泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].水泵技術(shù)，2014.1.

Large-Inertia Fly Wheel Technology of Reactor Coolant Pump of Nuclear Power Canned Motor

ChenGangandZhangGuibin

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Because stress intensity of large-inertia fly wheel should meet safety requirement of reactor, the primary stresses of fly wheel at working conditions of rated speed and design speed are calculated and analyzed by analytical method and finite-element method, and analysis results are assessed. The results show that primary stress intensity of fly wheel has met requirements of specification. Analysis results of the two methods are in agreement, thus its reasonability and believability is proved.

Reactor coolant pump of canned motor；large inertia；fly wheel；primary stress

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.07

TM303

B

1008-7281(2016)05-0023-004

陳剛 男 1984年生；畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事特種電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作.

2016-03-21