基于流固耦合的核主泵葉輪結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

鐘林濤

引言

核反應(yīng)堆冷卻劑泵簡稱核主泵，核主泵具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，其運(yùn)行過程中涉及如進(jìn)口流體撞擊、葉片湍流激振、葉片脫流激振等非常復(fù)雜的“流-固”耦合作用；這些激振使得核主泵產(chǎn)生振動，而長時(shí)間的機(jī)組振動可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。因此，對其進(jìn)行等效應(yīng)力、應(yīng)變的分析是非常必要的。核主泵作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械，若其結(jié)構(gòu)的固有頻率與工作的旋轉(zhuǎn)頻率重合或接近，會引起共振，這將對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成非常嚴(yán)重的影響和破壞。此外，在核主泵運(yùn)行過程中各過流部件由于流體對其造成的激振也可能與其固有頻率接近而發(fā)生共振。采用數(shù)值模擬的方法對核主泵中的核心關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動力學(xué)數(shù)值模擬分析來預(yù)測零部件的的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，相比于傳統(tǒng)的實(shí)物試驗(yàn)，不僅可以提高核主泵設(shè)計(jì)的可靠性、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期也可以降低開發(fā)成本。

1　全流道三維數(shù)值模擬

1.1　三維模型與網(wǎng)格劃分

通過UG軟件對核主泵水力部件的葉輪和導(dǎo)葉進(jìn)行三維實(shí)體建模，并建立流體域模型。整個(gè)流體域劃分為葉輪流體域和導(dǎo)葉流體域。為更接近真實(shí)流場的邊界條件，對葉輪進(jìn)口和蝸殼出口計(jì)算域進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由?。全流道采用適應(yīng)性非常強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并在流動梯度較大處進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。劃分結(jié)果，全流道無負(fù)網(wǎng)格，整體正交性大于0.15，網(wǎng)格質(zhì)量符合要求，總網(wǎng)格數(shù)為4471543。

1.2　計(jì)算結(jié)果分析

在商業(yè)軟件ANSYS的CFX中進(jìn)行全流道三維數(shù)值求解，結(jié)果顯示，兩個(gè)外特性值：揚(yáng)程95.23 m，效率76.73%；在設(shè)計(jì)工況下，數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果較為接近，說明數(shù)值模擬結(jié)果符合模型試驗(yàn)值，選用網(wǎng)格類型和湍流模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測混流式核主泵的外特性。從計(jì)算云圖中可以得到，葉輪葉片表面壓力分布均勻，葉輪葉片壓力側(cè)的壓強(qiáng)從進(jìn)口向出口處逐漸增加；在葉輪葉片吸入面，靠近葉輪后蓋板處存在一相對低壓區(qū)，說明流體在吸入口進(jìn)入葉輪時(shí)，存在局部脫流現(xiàn)象，造成此處的局部低壓。葉輪葉片壓力側(cè)靠近葉輪出口處存在一個(gè)明顯的高壓區(qū)，說明流體從葉輪流出后沖擊導(dǎo)葉，速度降低壓力升高。

表1　前六階模態(tài)固有頻率

2　核主泵葉輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析

2.1　載荷及約束的施加與處理

核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所受的載荷包括慣性力和表面力以及由溫度載荷引起的熱應(yīng)力。慣性力包括核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自身的重力及旋轉(zhuǎn)離心力，通過設(shè)置密度，重力加速度及旋轉(zhuǎn)速度施加。表面力主要為作用在葉輪表面的流場壓力，在workbench中引入流場的壓力載荷，實(shí)現(xiàn)流場與壓力的單向耦合，在葉輪后蓋板密封處施加一固定壓力，壓力值為葉輪出口壓力。泵軸與聯(lián)軸器相接觸的面設(shè)置為固定約束，確保整個(gè)核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不旋轉(zhuǎn)和上下移動。

2.2　計(jì)算結(jié)果分析

Workbench結(jié)果顯示：葉輪總變形趨勢由葉輪進(jìn)口向出口逐漸增大，且分布均勻，最大變形發(fā)生在葉片外緣靠近蓋板處，變形量0.33 mm，輪轂處變形最小。由上1節(jié)葉輪全流道分析可知，葉輪的變形主要表現(xiàn)為由流場壓力產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形以及離心力對葉輪的拉伸變形。葉輪等效應(yīng)力大部分都在62.5 Mpa以下，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度(220 Mpa)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉輪葉片與輪轂和后蓋板的交界處，這是由于這些地方受力面積較小，流體壓力載荷較大，因而等效應(yīng)力較大。泵軸與葉輪交界處最大等效應(yīng)力為37.5 Mpa。核主泵泵體最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在軸身與軸頸的直角交界處，最大等效應(yīng)力為334.8 Mpa,這是由于在該直角過渡處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在軸身與軸頸的過渡處加上倒角可以有效的減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。綜上所述，核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的各重要部件的等效應(yīng)力都遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，泵體不會發(fā)生塑性變形，唯一超過材料屈服應(yīng)力的部位來自于局部應(yīng)力集中。

3　結(jié)論

基于流固耦合的核主泵葉輪結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析，兼顧流場和結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，結(jié)算精度較高，應(yīng)力-應(yīng)變分布直觀形象，可以為核主泵的可靠性設(shè)計(jì)提供一定的利潤參考。

1)在設(shè)計(jì)工況下，葉輪葉片應(yīng)力在整個(gè)圓周方向呈對稱分布，最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與輪轂和后蓋板交界處，總體等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，不會發(fā)生塑性變形。同時(shí)，葉輪變形發(fā)生在葉片外緣處，主要表現(xiàn)為流場壓力產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。

2)通過模態(tài)分析得到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的前六階固有頻率，其各階固有頻率遠(yuǎn)高于核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行頻率，核主泵發(fā)生共振的可能性極小，具有很大的安全裕度。

參考文獻(xiàn)：

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