飛輪斷裂力學(xué)分析

哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司 賈 鑫 楊 彬

1.前言

核反應(yīng)堆冷卻劑泵電機(jī)飛輪的主要功能是提供足夠大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在正常運(yùn)行時(shí)可以儲(chǔ)備能量，以保證斷電時(shí)通過(guò)釋放能量驅(qū)動(dòng)泵機(jī)組繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使冷卻劑流量緩慢下降，避免燃料損壞。鑒于飛輪質(zhì)量大、轉(zhuǎn)速高，一旦破裂，將造成冷卻劑泵機(jī)組的劇烈振動(dòng)，并有足夠的動(dòng)能產(chǎn)生飛射物，可能損壞反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)、安全殼或其它設(shè)備和系統(tǒng)，后果非常嚴(yán)重。因此對(duì)不同轉(zhuǎn)速下飛輪的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，保證飛輪的完整性，使飛輪破裂的可能性降至最低，是非常重要的。

分別用傳統(tǒng)的解析方法和有限元方法計(jì)算了飛輪在靜止?fàn)顟B(tài)、正常轉(zhuǎn)速和超速轉(zhuǎn)速下（125%額定轉(zhuǎn)速）的應(yīng)力和變形。飛輪的強(qiáng)度應(yīng)滿足美國(guó)核管理委員會(huì)“標(biāo)準(zhǔn)審查大綱”5.4.1.1的規(guī)定。根據(jù)規(guī)范要求，計(jì)算了飛輪的延性斷裂臨界轉(zhuǎn)速，并使其高于正常轉(zhuǎn)速的2倍，本文主要介紹斷裂力學(xué)的分析。

2.結(jié)構(gòu)說(shuō)明

主泵電機(jī)飛輪主要由飛輪圓盤和內(nèi)襯套組成。兩者采用過(guò)盈配合，然后一同組套在泵電動(dòng)機(jī)的軸上。泵電動(dòng)機(jī)超速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止飛輪破裂，使其及時(shí)從轉(zhuǎn)軸上脫落是重要的。為此，設(shè)計(jì)中飛輪的內(nèi)襯套與軸之間采用圓錐配合。

3.斷裂力學(xué)分析

利用線彈性斷裂力學(xué)理論，估算了飛輪的臨界裂紋尺寸。分析中假設(shè)飛輪圓盤內(nèi)圓表面有半橢圓表面裂紋，臨界裂紋尺寸的大小由飛輪的工作應(yīng)力和材料的斷裂韌性來(lái)確定。考慮到主泵電動(dòng)機(jī)的使用期限內(nèi)大量的起、停機(jī)次數(shù)，導(dǎo)致應(yīng)力低周循環(huán)，使飛輪組件中尚存的初始裂紋逐漸增長(zhǎng)臨界裂紋尺寸，飛輪體破裂，分析中假設(shè)40年使用壽命內(nèi)約為15000次循環(huán)周期。

3.1 飛輪表面臨界裂紋的估算

由線彈性斷裂力學(xué)知識(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子：

對(duì)于表面半橢圓裂紋：

由（11.1）式可以得出裂紋尺寸：

臨界裂紋尺寸：

這里，材料斷裂韌性：

形狀因子：

脫落轉(zhuǎn)速時(shí)的環(huán)向應(yīng)力：

計(jì)算得臨界裂紋尺寸：

遠(yuǎn)大于漏檢缺陷尺寸1.6mm，安全。

3.2 斷裂壽命評(píng)估

計(jì)算時(shí)，初始裂紋尺寸取為預(yù)期漏檢缺陷的最大尺寸1.6mm，為使計(jì)算偏于安全，將缺陷尺寸擴(kuò)大10倍，即ai=16mm

裂紋擴(kuò)展速率為發(fā)：

其中c和n是與試驗(yàn)條件有關(guān)的材料參數(shù)。

應(yīng)力強(qiáng)度因子波動(dòng)幅：

將數(shù)據(jù)帶入公式中便得到斷裂壽命，N=46830000次，按泵電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行40年的壽期，其低周疲勞應(yīng)力循環(huán)周期約為15000次，4683000>1500，合格。

3.3 安全性評(píng)估

飛輪以正常轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子：

將數(shù)據(jù)帶入公式得到應(yīng)力強(qiáng)度因子：

KI=5218，安全。

4.結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，在飛輪內(nèi)表面假設(shè)存在允許的最大缺陷1.6mm時(shí)，飛輪的斷裂壽命及安全性評(píng)估均滿足要求。

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