百萬(wàn)千瓦級(jí)核電常規(guī)島主給水泵葉輪強(qiáng)度分析

胡永海，林永祥，陳乃娟

（中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海201316）

百萬(wàn)千瓦級(jí)核電常規(guī)島主給水泵葉輪強(qiáng)度分析

胡永海，林永祥，陳乃娟

（中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司，上海201316）

以百萬(wàn)千瓦級(jí)核電常規(guī)島主給水泵為研究對(duì)象，采用ANSYS12.0軟件對(duì)主給水泵葉輪強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)定，將流體作用于葉片表面的力作為葉片表面載荷，通過(guò)對(duì)葉片強(qiáng)度分析與鍵槽根部處強(qiáng)度分析，結(jié)果表明：按照ASME II NB卷中有關(guān)核I級(jí)部件的標(biāo)準(zhǔn)核電常規(guī)島主給水泵葉輪設(shè)計(jì)滿足安全性要求。

常規(guī)島主給水泵；葉片強(qiáng)度；鍵槽強(qiáng)度；ASME標(biāo)準(zhǔn)

中國(guó)作為能源緊缺國(guó)家，將逐步提高核電在其能源結(jié)構(gòu)中的比重，未來(lái)主要建設(shè)以第三代核電為主。百萬(wàn)千瓦級(jí)核電常規(guī)島主給水泵也將成我中國(guó)核電走出世界的起點(diǎn)。常規(guī)島主給水泵是核電站內(nèi)僅次于核島主泵的關(guān)鍵設(shè)備，是核電站二回路系統(tǒng)中主要設(shè)備和壓力邊界設(shè)備之一，是保證核島安全運(yùn)行和汽水品質(zhì)的重要熱工系統(tǒng)[1-2]。國(guó)內(nèi)百萬(wàn)等級(jí)核電站主給水泵長(zhǎng)期被國(guó)外公司壟斷，具有技術(shù)含量高，設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)難度大等特點(diǎn)。

本文所研究的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電常規(guī)島主給水泵是臥式雙吸泵，屬于非核級(jí)泵，但要求對(duì)主給水泵在核I級(jí)條件（依據(jù)ASME規(guī)范）下進(jìn)行力學(xué)分析和安全評(píng)定，本文采用ANSYS12.0軟件就主給水泵葉輪強(qiáng)度進(jìn)行分析和評(píng)定。

1 模型與邊界條件

1.1 分析模型

葉輪有七片葉片，為雙吸葉輪。葉輪的鍵槽部位進(jìn)行了“局部剖”，具體幾何模型，如圖1所示。

圖1 葉輪幾何模型

對(duì)于葉輪，同樣在鍵槽處及葉片根部進(jìn)行局部網(wǎng)格加密、細(xì)化，最終模型的單元數(shù)為178萬(wàn)，具體如圖2所示。

圖2 葉輪有限元模型

1.2 材料力學(xué)性能

主給水泵葉輪的材料是ZG06Cr13Ni4Mo.由甲方提供的材料ZG06Cr13Ni4Mo的化學(xué)成分見(jiàn)表1，力學(xué)性能見(jiàn)表2.

表1 ZG06Cr13Ni4Mo化學(xué)成分

表2 ZG06Cr13Ni4Mo力學(xué)性能

1.3 邊界條件

根據(jù)水力分析CFD結(jié)果，將流體作用于葉片表面的力作為葉片載荷，對(duì)葉輪進(jìn)行載荷及邊界條件設(shè)置，水力計(jì)算使用的為核電常規(guī)島主給水泵額定運(yùn)行工況，具體參數(shù)如表3所示。邊界條件具體設(shè)置如圖3所示[3-5]。

表3 主給水泵特性參數(shù)

圖3 載荷及邊界條件設(shè)置

由于鍵槽根部處存在軸對(duì)葉輪的作用力，通過(guò)對(duì)葉輪的鍵槽進(jìn)行“局部剖”后，將被剖出部分與葉輪主體做綁定接觸，設(shè)置徑向、軸向約束，添加扭矩，具體設(shè)置如圖4所示。

圖4 載荷及邊界條件設(shè)置

2 分析結(jié)果

2.1 評(píng)定方法

對(duì)于葉輪的葉片強(qiáng)度及葉輪上的鍵槽強(qiáng)度，按表4所示的評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)定。

表4 葉片及鍵槽評(píng)定準(zhǔn)則

其中：S為有限元分析所得應(yīng)力值；k為安全系數(shù)（k=2）；

Sy為材料屈服強(qiáng)度限值，查ASME-II-D篇，可知Sy=550 MPa.

2.2 葉片強(qiáng)度分析

葉片強(qiáng)度分析包括整個(gè)葉輪應(yīng)力分布和鍵槽根部處應(yīng)力分布兩部分。設(shè)置好載荷及邊界條件，并劃分好網(wǎng)格后，使用ANSYS 12.0進(jìn)行求解，葉輪應(yīng)力分布如圖5所示。由壓力分布圖可知，葉片根部處有較大應(yīng)力集中，約為202 MPa.評(píng)定結(jié)果如表5所示。

圖5 葉輪應(yīng)力分布圖

表5 葉片強(qiáng)度評(píng)定

2.3 鍵槽根部處強(qiáng)度分析

葉輪上鍵槽被剖出部分應(yīng)力分布如圖6所示，由壓力分布圖可知，葉片根部處有較大應(yīng)力集中，約為202 MPa.評(píng)定結(jié)果如表6所示。

圖6 葉輪鍵槽應(yīng)力分布

表6 鍵槽強(qiáng)度評(píng)定

3 結(jié)論

本文對(duì)主給水泵葉輪按照非承壓部件進(jìn)行分析評(píng)定。使用了ANSYS 12.0進(jìn)行應(yīng)力分析，考慮了水力計(jì)算結(jié)果，將其作用于葉片表面形成載荷，并按照ASME II NB卷中有關(guān)核I級(jí)部件的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述部件進(jìn)行評(píng)定，均滿足安全性要求。

[1]葉奇蓁.中國(guó)核電發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010（01）：3-8.

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[3]周 寧.ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]李曉春，吳勝興.基于ANSYS的混凝土早期徐變應(yīng)力仿真分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，20（15）：3944-3947.

[5]李 濤，左正興，廖日東.結(jié)構(gòu)仿真高精度有限元網(wǎng)格劃分方法[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（6）：304-308.

Blade Strength Analysis of 1000MW Class Nuclear Conventional Island Pump

HU Yong－h(huán)ai，LIN Yong－xiang，CHEN Nai－juan
（Powerchina SPEM Company limted，Shanghai 201316，China）

By taking 1000MW class nuclear conventional island pump as the research object，ANSYS12.0 soft has been developed to analysis nuclear conventional island pump of blade strength and keyway strength，by taking blade force from fluid.Results indicated that analysis of nuclear conventional island pump meet the standard requirement of ASME II NB.

nuclear conventional island pump；blade strength；keyway strength；ASME

TK223.5

A

1672-545X（2017）09-0021-02

2017-06-05

胡永海（1985-），男，甘肅蘭州人，碩士，工程師，研究方向：流體機(jī)械。