基于流固耦合的核主泵葉輪結構力學分析

鐘林濤

引言

核反應堆冷卻劑泵簡稱核主泵，核主泵具有復雜結構和力學特性，其運行過程中涉及如進口流體撞擊、葉片湍流激振、葉片脫流激振等非常復雜的“流-固”耦合作用；這些激振使得核主泵產生振動，而長時間的機組振動可能引起結構的疲勞破壞。因此，對其進行等效應力、應變的分析是非常必要的。核主泵作為旋轉機械，若其結構的固有頻率與工作的旋轉頻率重合或接近，會引起共振，這將對機組的穩定運行造成非常嚴重的影響和破壞。此外，在核主泵運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生共振。采用數值模擬的方法對核主泵中的核心關鍵部件進行結構的靜力學和動力學數值模擬分析來預測零部件的的結構力學特性，相比于傳統的實物試驗，不僅可以提高核主泵設計的可靠性、縮短產品開發周期也可以降低開發成本。

1　全流道三維數值模擬

1.1　三維模型與網格劃分

通過UG軟件對核主泵水力部件的葉輪和導葉進行三維實體建模，并建立流體域模型。整個流體域劃分為葉輪流體域和導葉流體域。為更接近真實流場的邊界條件，對葉輪進口和蝸殼出口計算域進行適當的延伸。全流道采用適應性非常強的非結構化四面體網格，并在流動梯度較大處進行局部網格加密。劃分結果，全流道無負網格，整體正交性大于0.15，網格質量符合要求，總網格數為4471543。

1.2　計算結果分析

在商業軟件ANSYS的CFX中進行全流道三維數值求解，結果顯示，兩個外特性值：揚程95.23 m，效率76.73%；在設計工況下，數值模擬結果與模型試驗結果較為接近，說明數值模擬結果符合模型試驗值，選用網格類型和湍流模型能夠較為準確的預測混流式核主泵的外特性。從計算云圖中可以得到，葉輪葉片表面壓力分布均勻，葉輪葉片壓力側的壓強從進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，說明流體在吸入口進入葉輪時，存在局部脫流現象，造成此處的局部低壓。葉輪葉片壓力側靠近葉輪出口處存在一個明顯的高壓區，說明流體從葉輪流出后沖擊導葉，速度降低壓力升高。

表1　前六階模態固有頻率

2　核主泵葉輪結構力學特性分析

2.1　載荷及約束的施加與處理

核主泵轉子系統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力。慣性力包括核主泵轉子系統自身的重力及旋轉離心力，通過設置密度，重力加速度及旋轉速度施加。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，實現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。泵軸與聯軸器相接觸的面設置為固定約束，確保整個核主泵轉子系統不旋轉和上下移動。

2.2　計算結果分析

Workbench結果顯示：葉輪總變形趨勢由葉輪進口向出口逐漸增大，且分布均勻，最大變形發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節葉輪全流道分析可知，葉輪的變形主要表現為由流場壓力產生的彎曲和扭轉變形以及離心力對葉輪的拉伸變形。葉輪等效應力大部分都在62.5 Mpa以下，遠小于材料的屈服強度(220 Mpa)，最大應力出現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，因而等效應力較大。泵軸與葉輪交界處最大等效應力為37.5 Mpa。核主泵泵體最大等效應力出現在軸身與軸頸的直角交界處，最大等效應力為334.8 Mpa,這是由于在該直角過渡處存在應力集中現象，在軸身與軸頸的過渡處加上倒角可以有效的減少應力集中的現象。綜上所述，核主泵轉子系統的各重要部件的等效應力都遠小于材料的屈服極限，泵體不會發生塑性變形，唯一超過材料屈服應力的部位來自于局部應力集中。

3　結論

基于流固耦合的核主泵葉輪結構力學特性分析，兼顧流場和結構兩個方面，結算精度較高，應力-應變分布直觀形象，可以為核主泵的可靠性設計提供一定的利潤參考。

1)在設計工況下，葉輪葉片應力在整個圓周方向呈對稱分布，最大應力出現在葉片與輪轂和后蓋板交界處，總體等效應力遠小于材料的屈服強度，不會發生塑性變形。同時，葉輪變形發生在葉片外緣處，主要表現為流場壓力產生的彎曲和扭轉變形。

2)通過模態分析得到轉子系統的前六階固有頻率，其各階固有頻率遠高于核主泵轉子系統運行頻率，核主泵發生共振的可能性極小，具有很大的安全裕度。

參考文獻：

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