核主泵飞轮的强度、变形和极限转速分析.pdf

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1、核主泵飞轮的强度◆变形和极限转速分析上海电气凯士比核电泵阀有限公司(20l306)程剑卢熙宁龙建南【摘要】利用有限元软件，对核主泵飞轮在各工况下的强度和变形作出了评估；为进一步验证飞轮的安全性，对其延性和非延性断裂的极限转速做了分析。分析结果表明：该飞轮在各工况下能够保持结构的完整性，并具有在事故工况下合理脱落的能力；延性和非延性断裂的极限转速均远高于其脱落转速，从而保证了飞轮的安全性。【关键词】核主泵飞轮完整性迂盈配合延}生断裂非延性断裂一、前言核反应堆冷却剂泵(简称核主泵)作为核岛内唯一连续运转的设备，其安全性和可靠性是需要保证的关键技术。安装于

2、核主泵电动机上的飞轮，由于其足够大的转动惯量，可在正常运行转速时储存能量，当发生反应堆紧急停堆或全厂断电事故时，可继续驱动核主泵运转，避免反应堆冷却剂的流量急速下降，从而保证了堆内部件的安全。作为核岛设备主要的安全相关部件，国内许多技术人员已对飞轮的结构设计、完整性分析等做了一定的研究。其中，李天斌、陈兴江等人对核电站各类型主泵配套飞轮的结构以及飞轮的设计要求等进行了汇总和介绍，杨亚林、杨鼎宁、王珍等人通过理论和有限元分析相结合的方式，对“可脱落式”飞轮过盈配合尺寸的设计和各转速工况下飞轮的应力进行了分析；李笑天、葛磊等人除对飞轮的强度进行了分析之外

3、，还按照ASME规范第1II卷附录G的要求，对各转速工况下的飞轮进行了断裂力学分析。上述的研究在一定程度上保证了飞轮的安全性，但对于飞轮的设计结构和选材所能承受的极限转速，以及极限转速相对于“脱落转速”的安全裕量，并未做研究；而且，所做的断裂力学分析是按照规范中所给的计算方法，通过对常规应力计算结果的后处理，来求得裂纹的应力强度因子，在分析过程中并未建立具有裂纹的有限元模型。采用大型商用有限元软件ANSYS，首先对某核电站轴封型主泵飞轮在各转速下的强度和飞轮与轴套间过盈配合的接触状态进行了分析。其次，为进一步确保飞轮的安全性，还对其延性和非延性断裂极

4、限转速进行了分析。其中，在非延性断裂分析中，建立了具有假想裂纹的有限元模型，对各转速下裂纹尖端的应力强度因子进行了考察。飞轮的设计结构与要求1．设计结构及材料特性某核电站轴封型主泵的配套飞轮为“可脱落式”设计，其设计结构如图l所示。飞轮本体与轴套之间完图1飞轮的设计结构1飞轮2．轴套3．电动机轴2016年靴期黑熙CO誓HI{53第】2期Ⅵww．e嘶x．oUM面G丽嫩脚用而通面力一密一豹舅全采用过盈配合进行连接，配合面为锥形，不存在键槽、通孔等可能引起应力集中的结构。飞轮材料的最小屈服强度s，为850MPa；最小抗拉强度s。为950MPa；最低材料断裂

5、韧性置c为165MPa·m“2。2．设计要求该核主泵电动机的额定转速为1500r／min，飞轮的设计转速为125％的额定转速，即1875r／min{考虑到在事故工况下，泵组转子可能会出现短时间的极限转速，为保证泵组的安全、防止飞轮产生碎裂，要求飞轮的脱落转速为2500r／min。由于仅采用过盈配合进行连接，飞轮的过盈量应保证飞轮在事故工况下正常脱落。因此飞轮在0转速下仅受过盈配合作用产生的应力，应与2500ffmin转速下由离心力产生的应力基本相同。对额定转速1500r／min和设计转速l875r／min，由于过盈配合与离心力此消彼长的作用，飞轮的应

6、力基本保持同一水平。因此，对于各转速下的飞轮组合应力，均采用2／3的屈服强度进行评定。3．延性．非延性断裂要求美国核管会管理导I贝I]RG1．14—1975并N美国核管标准审查大纲Nureg--0800dff，对飞轮的延性和非延性断裂分析提出了明确的要求。RG1．14—1975中规定：需计算出飞轮延性断裂的极限转速，其分析的方法及评定准则参见ASME规范第1II卷附录F一1323．1(b)(现行版本的ASMEJ觇范中已没有“F一1323．1(b)”章节，本文按照F一1331．1中的规定进行分析和评定)。飞轮延性断裂的评定准则为：P。≤0．7S．=66

7、5MPa(1)PL+Pb≤1．5×0．7S．=997．5MPa(2)RG1．14—1975qb，要求对飞轮的非延性断裂极限转速进行计算。Nureg-0800中，规定了断裂力学分析的评定准则：从正常到超转速下的最大切向应力与匠。的比值，应至少为2in“2(1in=0．0254m)；或者，正常和扰动工况下，K。。与裂纹应力强度因子K。的比值需大于3．16，紧急和事故工况下，该比值需大于1．41。Nureg—osooep，给出了假想裂纹的深度，为0．25in(6．35mm)。该裂纹尺寸考虑到了在役运行中，由于部件力学性能的退化产生的裂纹扩展，以及在役检测所

8、不能检测到的最大裂纹尺寸。541然黎然：嘶年靴期三．分析过程及结果1．各转速下飞轮的应力和变形在达到脱落转速