余热排出泵叶轮流固耦合特性分析

作者:尹庭赟;裴吉;袁寿其;王文杰; 刊名:农业工程学报 上传者:刘桂芬

【摘要】余热排出泵长期在高温高压环境下运行,其结构的可靠性对整个机组的安全运行有着重要的影响。该文采用单向流固耦合方法研究了几种常用材料及增加叶轮盖板厚度对转子结构动力学特性的影响,同时对比了常温和高温下叶轮的振动特性。结果表明,余热排出泵高温运行时,叶轮的第1阶固有频率为394.17 Hz,较常温下升高了2.28%,远高于叶轮叶片通过频率。在各阶模态振型下,1Cr13MoS叶轮固有频率最大,ZG225-450叶轮固有频率最小。设计工况和偏工况下叶轮的应力及变形变化趋势基本一致,叶轮的变形随半径的增加而不断增大,最大变形量出现在后盖板叶轮出口处。叶轮的应力分布不均,最大应力均出现在叶片尾缘与后盖板接合处。沿着前盖板和叶片接合线,应力的峰值随前盖板厚度增加而减小。沿着后盖板和叶片接合线,增加后盖板厚度明显减小了应力峰值。高温和常温应力变化趋势基本一致,但是高温下叶轮应力明显高于常温。尤其在叶轮进口处附近,高温应力相对于常温应力增加超过300%。该研究结果为下一步进行更加复杂的动力学分析、疲劳分析以及结构优化提供参考。

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^"随着中国对核电的高度重视,国内高校和泵企业等正加紧研制开发核电用泵,实现核电用泵的国产化。在核电站内的泵类设备中,余热排出泵是重要的设备之一,可保护核电站的安全运行:当反应堆进行正常停堆时,排出堆芯余热和核主泵在一回路中产生的热量;当发生严重事故时,减小核电站受损程度[1_2]。由于余热排出泵高温高压运行环境的特殊性,其结构的可靠性对整个机组的安全运行有着重要的影响,因此,准确地对余热排出泵转子部件进行强度分析可为其结构设计及寿命延长提供依据。近年来,流固耦合有限元分析已成为分析流体机械可靠性的重要方法。国内外不少学者尝试采用流固耦合的方法对转子系统进行振动特性分析,取得了许多有价值的成果。刘厚林等[3]分别运用单、双向流固耦合方法对导叶式离心泵叶轮进行静应力强度分析,指出单向耦合即可满足叶轮静力学分析。Kan等[4]采用单向流固耦合计 算得到了水轮机转子在多工况下应力和变形变化规律。牟介刚等[5]采用单向流固耦合方法,分析了悬臂式离心泵在不同悬臂比、不同工况下叶轮应力和变形的变化规律,并对不同悬臂比离心泵的转子动力学特性进行研究。Schneider等[6]对多级离心泵进行了单向流固耦合计算,分析了叶轮结构设计参数和温度对叶轮应力和变形的影响。刘厚林等[7]对比分析了无预应力下、流固耦合作用力和旋转离心力作用下的余热排出泵转子的模态。刘建瑞等[8]考虑了水的附加质量对余热排出泵转子振动性能的影响,对转子进行水中模态分析。Zhou等[9_10]采用双向流固耦合计算方法,研究了考虑流固耦合作用的余热排出泵在不同工况下内部流场及转子应力和变形分布。考虑到余热排出泵实际高温高压的运行环境,目前很少有学者考虑对叶轮盖板进行加厚处理。同时,材料属性对转子动力学特性的影响研究较少,尤其是对于有特殊用途的余热排出泵而言,合理选择叶轮材料至关重要。因此,本文应用单向流固耦合计算方法研究了余热排出泵实际高温运行环境下叶轮模态分布,详细分析了叶轮几种常用材料和不同盖板厚度下叶轮变形量和应力//.[VI4-|.|-[-T-T-r^AAj-X/-,1.i-f-Lrr./n.^-W分布,以为研九整丨系-充的动心、特性M、多考。,1昔太6^1热泣Uik敕彳女里力^土1.1S于模态分析的静流体整体絹合法一对于具有/?个自由度的系统,其结构动力方程为++(1),,^"ss一,^式中疋系统的质里矩阵;疋系统的阻尼矩阵;反 昼系统的刚虔矩阵;昃是系统承受的载荷,Pa;h是节点,Initialization的加速度矢&m/s2;。是节点的速度矢&m/S;?是节I'”Ji的位參A纖iHf在静流体中,考虑到流固耦合作甩对方程做T些:(^*3ikuComputationornowfield假设:流体是可压缩的,压力波动将会引起密度变化;(finitevolumes)J^流体是非黏性的(即无黏性耗散)以及非旋转的;流体p{,)'m旮我_有运动。因此,流体将被视为声孝流体,控制方程可cijss用如下的声毅.方義處:Siloadftansm.ttmg告-AP=(2)MComputationofdeformationsc=Jk/p0(3)、注:A表示第z步的时间,s;心i表示第/+l步的时间,S;Ar表示时间步长,式中C是声音在水中的传播速度,m/s;是由声波引起s;冰)表示流场压九Pa;v(表示流场速度,nrs-1;F(表示流固耦合面的的流体压力以及作用于流体的九Pa;A是拉普拉斯算右!!:tmtA#-tMNote:Aistimeatthezstep,s;+1istimeatthez+1ste

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