核電屏蔽電機主泵大慣量飛輪技術

陳剛，張貴濱

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

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核電屏蔽電機主泵大慣量飛輪技術

陳剛，張貴濱

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

根據大慣量飛輪應力強度需滿足要求，以確保反應堆的安全的要求。分別采用解析分析方法與有限元分析方法，對額定轉速及設計轉速工況下飛輪的一次應力進行計算分析，并對分析結果進行評定，結果表明飛輪的一次應力強度滿足規范要求。兩種方法的分析結果一致，論證了飛輪的一次應力分析結果是切實可行的。

屏蔽電機主泵；大慣量；飛輪；一次應力

0 引言

屏蔽主泵系立式、單級、無軸封、高慣量離心泵，用來輸送高溫、高壓、大流量的反應堆冷卻劑，是有效調整反應堆溫度、保證反應堆安全的重要設備。為了保證屏蔽主泵在反應堆緊急停堆或全廠斷電事故等工況下，仍能提供一定的惰轉流量，繼續驅動反應堆冷卻劑循環，冷卻堆芯，為緊急停堆操作提供必要的緩沖時間，因此在屏蔽主泵電機軸上安裝大慣量的飛輪，保證主泵停堆后具有足夠的惰轉能力，從而保證反應堆的安全。

飛輪除具有一定轉動慣量外，還應保證飛輪結構部件在額定轉速、設計轉速等工況下應力強度滿足要求，以確保飛輪結構的完整性，保證反應堆的安全可靠運行。本文分別采用解析計算方法與有限元計算方法對飛輪的應力強度進行分析，并依據法規要求對分析結果進行判定，結果表明飛輪部件的應力強度滿足要求。

1 飛輪結構與設計準則

1.1 飛輪結構

屏蔽電機主泵飛輪材料為高密度鎢基合金金屬材料，該種材料密度約為18.4g/cm3。在保證機械強度的前提下，為滿足轉動慣量要求，將鎢基合金盡量放置在輪轂外沿，充分發揮鎢基合金的有效作用。由于質量大的鎢基合金在高速旋轉狀態下產生大的離心力，進而產生了大的飛射物能量，為了減少可能成為飛射物的碎塊質量及飛射物能量需要減少飛射物的質量，因此鎢基合金采用分瓣的扇形塊結構。為保證在正常運行工況、瞬態工況甚至事故工況下，鎢合金質量之間不會產生相對位移而影響主泵轉子良好的動平衡狀態，在鎢合金扇形塊外熱套一定壁厚且具有高強度的保持環，并具有足夠的過盈量，使得高速旋轉狀態下鎢合金塊產生的離心力完全由保持環承受，確保飛輪結構的完整。在飛輪兩個端面及外側分別設置不銹鋼蓋板及屏蔽外套，與飛輪輪轂構成封閉腔體，避免高強度的保持環與鎢合金塊受到反應堆冷卻劑的腐蝕。

1.2 飛輪材料特性

飛輪材料特性見表1。

表1 飛輪材料特性

注：材料特性中屈服強度與抗拉強度均為設計溫度下的材料特性參數。

1.3 飛輪設計準則

飛輪應力強度分析要求飛輪在額定轉速工況、設計轉速(125%額定轉速)工況下具有足夠的強度，飛輪額定轉速為1500rpm，設計轉速為1875rpm。設計準則如下：(1)額定轉速下，飛輪一次應力不應超過最小屈服強度的1/3；(2)設計轉速下，飛輪一次應力不應超過最小屈服強度的2/3。

2 飛輪應力分析

2.1 飛輪應力強度解析法分析

2.1.1 飛輪分析模型

飛輪應力強度解析法采用沿軸橫截面建立的軸對稱模型進行分析，r1，r2分別為輪轂的內外徑；r3為鎢合金塊外徑；r4為保持環外徑；h為輪轂、鎢合金塊、保持環的軸向高度。

2.1.2 飛輪保持環應力強度解析分析

飛輪保持環采用熱套的方式裝配到鎢合金塊外側，使得鎢合金塊形成均勻的圓環狀，確保飛輪的結構完整。在飛輪高速旋轉過程中，由鎢合金塊產生的離心力作用在保持環內徑處，產生一次應力。

(1)

式中，σp—鎢合金塊離心力作用產生的一次薄膜應力，MPa；ρw—鎢合金塊的密度，g/cm3；w—旋轉角速度，rad/s；g—重力加速度，m/s2。

同時由于保持環自身旋轉產生了一次應力

(2)

式中，σθ—保持環自身旋轉產生的環向應力，MPa；ρc—保持環的密度，g/cm3；v—材料泊松比。因此總的一次應力為上述應力之和，即

σhoop=σp+σθ

(3)

但是，考慮到工藝制造過程中飛輪整體結構的緊湊性及實際運行工況下對飛輪外側屏蔽外套產生過大的應力，在保持環外圓邊緣處進行加工以滿足上述要求，見圖3。

由于保持環外緣的加工，使得保持環有效厚度減小，按照模型中沿軸橫截面的面積不變原則，確定保持環有效厚度減小量。

(4)

保持環有效厚度的減小導致保持環的應力對應增大，根據有效厚度的減小量，引入應力幅值增大因子。

(5)

因此，確定保持環最終的一次應力為

σhoop′=kσhoop

2.1.3 飛輪輪轂應力強度解析分析

飛輪輪轂的應力是由輪轂自身旋轉引起的

(6)

式中，σh—輪轂自身旋轉產生的環向應力，MPa；ρh—輪轂的密度，g/cm3；v—材料泊松比。

2.1.4 應力強度解析法分析結果

按照上述分析計算方法，對飛輪保持環及輪轂在額定轉速及設計轉速下的一次應力強度進行計算，結果見表2。

表2 飛輪一次應力解析分析結果

2.2 飛輪應力強度有限元法分析

2.2.1 飛輪有限元分析模型

利用ANSYS有限元軟件對飛輪應力強度進行仿真計算分析，考慮到飛輪結構及其載荷的對稱性，在建立模型過程中軸、輪轂、鎢金塊、保持環均取整體結構的1/12，分析時采用實體單元類型，同時進行環向位移約束，并對軸斷面加以軸向約束，軸和輪轂、鎢金塊和保持環之間的接觸面采用摩擦(Frictional)接觸模擬熱套配合，計算模型如圖4所示。

2.2.2 飛輪保持環應力強度有限元分析

對飛輪保持環在額定轉速及設計轉速下的一次應力進行分析，如圖5和圖6所示。

2.2.3 飛輪輪轂應力強度有限元分析

對飛輪輪轂在額定轉速及設計轉速下的一次應力進行分析，如圖7和圖8所示。

2.2.4 應力強度有限元分析結果

利用有限元分析軟件對飛輪保持環及輪轂在額定轉速及設計轉速下的一次應力強度進行計算，結果見表3。

表3 飛輪一次應力有限元分析結果

3 飛輪應力分析結果對比與評定

分別采用解析分析方法與有限元分析方法，計算了飛輪保持環與輪轂在額定轉速及設計轉速工況下的一次應力，并依據飛輪應力設計準則，對分析結果進行評定，結果證明飛輪一次應力均滿足要求。同時對解析分析方法與有限元分析方法得到的結果進行了對比，結果基本一致，證明了兩種方法的可行性。飛輪應力分析結果對比與評定見表4。

表4 飛輪應力分析結果對比與評定

單位：MPa

4 結語

本文應用解析分析方法及有限元分析方法，對額定轉速及設計轉速工況下飛輪的一次應力進行了計算分析，并對分析結果進行對比評定，得到以下結論。

(1)采用兩種方法計算了飛輪保持環及輪轂在額定轉速及設計轉速下的一次應力，一次應力值均小于設計準則中的應力限值，滿足應力強度要求。

(2)將解析法分析結果與有限元法分析結果對比，得出兩種方法計算結果基本一致，證明飛輪一次應力分析結果是切實可行的。

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Large-Inertia Fly Wheel Technology of Reactor Coolant Pump of Nuclear Power Canned Motor

ChenGangandZhangGuibin

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Because stress intensity of large-inertia fly wheel should meet safety requirement of reactor, the primary stresses of fly wheel at working conditions of rated speed and design speed are calculated and analyzed by analytical method and finite-element method, and analysis results are assessed. The results show that primary stress intensity of fly wheel has met requirements of specification. Analysis results of the two methods are in agreement, thus its reasonability and believability is proved.

Reactor coolant pump of canned motor；large inertia；fly wheel；primary stress

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.07

TM303

B

1008-7281(2016)05-0023-004

陳剛 男 1984年生；畢業于哈爾濱工業大學電機與電器專業，碩士，現從事特種電機設計開發工作.

2016-03-21