基于流固耦合的余热排出泵转子模态分析

作者:刘厚林;徐欢;王凯;吴贤芳;杜辉 刊名:流体机械 上传者:张涛

【摘要】核电用余热排出泵的可靠性至关重要。通过ANSYS的FSI功能对余热排出泵进行流固耦合分析,得到流体对固体的流固耦合作用力;应用ANSYS中的模态分析功能对余热排出泵转子无预应力下的模态以及流固耦合作用力和旋转离心力作用下的模态进行了对比分析。结果表明:流固耦合载荷力对转子固有频率的影响大于旋转离心力;在同时考虑流固耦合力和旋转离心力条件下,余热排出泵转子固有频率介于只考虑旋转离心力和只考虑流固耦合力的固有频率之间,且除第3阶外均小于无预应力下的固有频率。其中,第2阶模态的固有频率与无预应力相比更接近于激振频率。在预应力作用下,振幅有所上升。

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1前言余热排出泵是百万千瓦核电站中的关键设备之一,是除主泵之外唯一不知在核岛内的核二级泵。它的可靠性对整个核电站的稳定运行起着至关重要的作用[1]。此外,余热排出泵对振动性能的要求很高,因此,对百万千瓦级余热排出泵的转子部件进行模态分析具有重要的意义。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法,用于确定结构的固有振动特性,也是进行其他动力学分析的基础[2,3]。在流体机械领域中,影响其模态的重要因素是旋转离心力和叶轮流固耦合作用力(又称流固耦合力)[4]。由于流体机械处于高速运转中,难以使用常规的测量手段对其进行模态的试验测量,因此基本采用数值方法对流体机械进行模态分析。而传统的数值研究忽略了流场与结构场之间的相互作用,也就是把离心泵内部流动与其部件结构振动特性分开进行研究。随着流固耦合技术的发展,流固耦合分析已成为分析流体机械可靠性的重要方法[59]。本文应用ANSYS的FSI功能对余热排出泵进行弱流固耦合分析,得到流体对固体的流固耦合作用力;并应用ANSYS中的模态分析功能,分别对无预应力下、旋转离心力、流固耦合作用力以及同时考虑两者的余热排出泵转子模态进行了对比分析。2模态分析基本理论余热排出泵转子模态理论计算过程如下:(1)不考虑预应力(即自由模态)的转子模态方程为:[M]{}+[K]{}=0(2)考虑旋转离心力的影响,在结构面上施加离心应力刚度矩阵Kr,忽略阻尼项,则获得旋转离心力下的转子模态方程为:[M]{}+[K+Kr]{}=0(3)考虑流固耦合作用的影响,在结构面上施加流固耦合矩阵R、流体等效刚度矩阵Kf、流体等效质量矩阵Mf,忽略阻尼项,则获得流固耦合力下的转子模态方程为:M0[fRMf][p]+K-RT[0Kf][]p=[F](4)同时考虑旋转离心力和流固耦合力对余热排出泵转子模态的影响的叶轮动力学方程为[10]:M0[fRMf][p]+[]C[p]K+Kr-RT0K[]f[]p=[F]式中M叶片结构质量矩阵Mf流体等效质量矩阵f流体密度R流固耦合矩阵C阻尼K叶片结构刚度矩阵Kr离心应力刚度矩阵Kf流体等效刚度矩阵F结构外载荷向量3有限元模型建立余热排出泵转子包括泵轴和叶轮,模型如图1所示,叶轮出口直径为506mm,网格划分如图2所示,网格节点数为50280,单元数为23892。叶轮和泵轴的材料特性列于表1。图1转子结构图2网格划分表1材料特性零件材料密度(kg/m3)弹性模量(GPa)泊松比轴H115078201960.278叶轮CA6NM77702160.2804无预应力的模态分析在图1中的轴承处施加圆柱约束,采用AN-SYS模态分析中系统默认的BlockLanczos算法,此算法具有很高的效率和精度,能准确快速地求解出系统得固有频率。余热排出泵转子在不考虑预应力前6阶的固有频率和振幅列于表2中,从表中可以明显得看出随着阶数的增大,固有频率和振幅都有所上升。表2无预应力下的前6阶的固有频率阶数固有频率(Hz)临界转速(r/min)振幅(m)161.003660.00.157261.013660.60.1573153.979238.20.2114408.9424536.40.2795409.0624543.60.2806775.7946547.40.318由于篇幅所限,只列出前6阶模态的振型如图3所示。第1阶和第2阶振型为叶轮和轴承之间的摆动变形,两摆动方向接近垂直;第3阶振型为叶轮在yoz平面(即垂直于轴线方向的平面)内绕x轴的扭转变形,叶轮的变形量以中心对称分布;第4阶和第5阶振型为为叶轮和轴承之间的摆动变形,两摆动方向接

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