百万千瓦级核电站余热排出泵抗震特性研究

摘要

本文在国家科技支撑计划课题“百万千瓦级核电离心泵关键技术研究”(编号:2011BAF14804)的资助下开展工作。余热排出泵是核电站一回路RRA系统的重要组成部分，属核二级泵，是最关键的核动力设备之一。它位于安全壳内，用于保证在反应堆事故停堆和正常停堆后带出堆芯的衰变热，维持核电厂的安全状态，地震响应要求为Ⅰ类。该泵运行工况复杂，流体流动对泵结构的可靠性影响较大。余热排出泵及其部件要求在发生SSE地震载荷期间及之后，能维持承压特性，完成充水、高压安全注入和密封注水，因而必须按热冲击载荷、正常运行载荷、最大管道载荷和SSE地震载荷同时作用的极端工况进行地震响应研究。本文主要研究内容和创新点有:
　　1.为了采用安全系数更高的方法预防地震可能引起的核电站核泄漏事故，本文采用一种考虑瞬态流体激振力的新型地震响应分析的新方法。基于百万千瓦级余热排出泵模型，进行固有模态分析，使用等效静力方法和响应谱方法来分析安全停堆地震(1/2SSE)作用下的响应，同时考虑了重力载荷、运行载荷、事故工况下的管道载荷、SSE地震载荷和流体激振力载荷等。流体激振力通过流固耦合方法施加到转子系统中，进行了转子系统考虑流体激振力和不考虑流体激振力的地震响应分析。研究了与口环对应的叶轮前盖板进口表面和叶轮出口表面在地震载荷和流体激振力载荷共同作用下产生的变形。
　　(1)在地震载荷和流体激振力作用下，叶轮出口边的总变形远低于叶轮和导叶之间的单边间隙，与口环对应的叶轮前盖板进口表面的总变形满足地震响应分析的要求。余热排出泵定子系统和转子系统之间没有摩擦和干涉，在地震载荷作用下的运行要求得到满足。
　　(2)研究表明余热排出泵的主要振动模态是水平方向的平移振动，因此在设计阶段提高水平方向的强度能够减少地震对余热排出泵的影响，且叶轮的旋转不会引起泵结构的共振。
　　2.为了检验提出的考虑流体激振力的地震响应分析新方法，首次将该方法应用到余热排出泵的实际工况中，即余热排出泵的启动阶段。采用计算流体动力学方法和有限元分析方法，即响应谱方法和流固耦合方法，同时考虑了地震力和流体激振力，定量分析了启动阶段由地震力和流体诱导振动引起的叶轮出口边位移，检验余热排出泵动静部件之间的变形是否满足抗震要求。
　　(1)研究显示了垂直轴平面内两个正交方向上可能的非对称变形，以及叶轮的膨胀变形，此平面内叶轮出口边的变形与水平、竖直方向均呈一定角度，并且该角度增加了叶轮和导叶之间的间隙，减少了安全余量的损失，降低了叶轮变形对余热排出泵抗震性能的危害性。
　　(2)根据地震响应要求，预测并分析了启动阶段余热排出泵由地震载荷和流动诱导振动引起的叶轮出口边的变形，得到了叶轮和导叶之间的间隙表达式，该表达式是衰减振荡函数，由指数函数和正弦函数组合而成。
　　3.通过多地震谱，多输入方向方法来分析余热排出泵动态特性和响应。利用响应谱分析方法，得到余热排出泵在SSE地震载荷作用下的反应谱响应分析。利用应力场与热耦合的方式，通过基于耦合场理论的有限元方法求解热冲击，针对余热排出泵的热冲击过程，对泵体和叶轮在热冲击工况下的变形和应力分布进行了分析。
　　(1)在不同地震谱输入方向下，最大变形发生在约135°的方向，为了采用安全裕量最大的方法评估余热排出泵的地震响应性能，地震响应分析应该在135°地震谱输入方向下进行，但设计时针对地震频繁发生的安装角度应该避免135°，以此来降低由地震力引起的变形。
　　(2)研究表明，余热排出泵转子系统和定子系统之间的间隙满足地震响应性能要求。相比于已有的确定泵地震响应特性的分析方法，本研究能够简便地直接得到转子和定子之间的间隙，并评估余热排出泵在地震载荷作用下的结构完整性和可运行性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 地震响应特性

1．2．2 离心泵流固耦合特性

1．2．3 离心泵启动瞬态特性

1．3 本文研究内容

第二章 考虑流体激振力的佘热排出泵地震响应分析

2．1 余热排出泵计算模型

2．2 地震响应分析方法

2．2．1 边界条件

2．2．2 材料属性

2．3 外特性试验

2．3．1 试验准则及试验装置

2．3．2 试验结果

2．4 模态分析

2．5 极端工况地震响应分析

2．6 考虑流体激振力的变形

2．6．1 与口环对应的叶轮前盖板进口表面变形

2．6．2 叶轮出口边变形

2．6．3 等效流道变形

2．7 频率分析

2．8 本章小结

第三章 佘热排出泵启动阶段抗震分析

3．1 极端工况下的地震响应分析

3．2 启动阶段由流体诱导振动引起的变形

3．2．1 启动阶段流速和转速

3．2．2 有限元模型

3．2．3 监测点位置

3．2．4 监测点启动阶段位移

3．2．5 监测点启动阶段位移拟合

3．3 考虑地震力和流体诱导振动的位移

3．4 启动阶段叶轮和导叶间的间隙

3．5 本章小结

第四章 余热排出泵不同地震谱下的地震响应及热冲击计算

4．1 地震谱激励参数和特性

4．2 不同地震谱输入下边界条件

4．3 结果和讨论

4．3．1 与口环对应的叶轮前盖板进口表面变形

4．3．2 叶轮出口表面变形

4．3．3 叶片表面变形

4．3．4 叶轮出口边和与口环对应的叶轮前盖板进口表面的最大变形

4．4 余热排出泵热冲击计算

4．4．1 边界条件

4．4．2 计算结果及分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果