基于流固耦合的混流式核主泵葉輪模態分析

(西華大學能源與動力工程學院 四川 成都 610039)

引言

混流式核主泵是核電站的“心臟”，也是核反應堆一回路系統中唯一高速旋轉的設備，其特殊的運行環境對其可靠性要求較高，對核電站的安全穩定的運行有著至關重要的作用。

葉輪是核主泵的主要過流部件，其振動特性將直接影響到核主泵的可靠性及安全穩定性。因此，對核主泵葉輪的進行模態分析顯得尤為重要，本文基于單向流固耦合對核主泵無預應力和有預應力(離心力和液體壓力)情況下進行模態對比分析，探究了在設計工況下混爐式核主泵的振動特性。

一、模態分析基本理論

模態分析是最基本的動力學分析，本文考慮的是無阻尼的模態分析，其動力學問題的運動方程為

[M]{x″}+[K]{x}={0}

(1)

結構的自由振動為簡諧振動，即位移為正弦函數

x=xsin(ωt)

(2)

代入式(1)得

([K]-ω2[M]){x}={0}

(3)

式中：[M]為質量矩陣，[K]為剛度矩陣，{x″}為加速度矢量，{x}位移矢量，ω為自振圓頻率。

二、有限元模型建立

混流式核主泵結構計算只考慮葉輪(包括轉軸)如圖1所示，利用Workbench里自有網格劃分功能，采用四面體非結構網格，通過網格無關性檢查，最終確定網格數為931984。

圖1 葉輪結構示意圖

葉輪結構采用Z3CN20-09鑄造奧氏體不銹鋼，材料參數為：密度為7850kg/m3，彈性模量為179.47GPa，泊松比為0.3，屈服極限為255MPa。葉輪上的預應力主要有離心力和流體壓力，離心力主要由葉輪密度、重力加速度及旋轉速度施加，流體壓力根據文獻1中穩態模擬并計算得到的結果施加。

三、共振分析

由于旋轉部件對機械的振動性能影響較大，其固有頻率如果同部件的旋轉以及內部流動產生的激振頻率重合或者相近，將會引起結構的共振現象，極易產生結構破壞，導致事故的發生。因此，出于結構的安全可靠性考慮，有必要對葉輪的共振特性進行研究。根據混流式核主泵葉輪轉速為1485 r/min，可以得出葉輪的一階激振頻率為

f=1485/60=24.75Hz

其中，各階激振頻率為一階激振頻率的相應的倍數關系。

如圖2所示，考慮預應力(包括離心力和流體壓力)和無預應力的情況下，葉輪葉片相應的各階固有頻率相差不大，最大頻率差值分別為葉輪的第1階和第2階固有頻率，且有預應力比無預應力下的固有頻率分別下降的2.452 Hz和2.450 Hz。其中，第2階固有頻率與激振頻率很接近，容易發生共振現象。因此，在核主泵實際運行中應考慮預應力作用下固有頻率的變化，以避免共振的發生。

圖2 前10階頻率對比

四、結論

考慮預應力和無預應力的情況下，葉輪葉片相應的各階固有頻率相差不大，其中考慮預應力下的第2階固有頻率與激振頻率很接近，容易發生共振現象。因此，在核主泵實際運行中應考慮預應力作用下固有頻率的變化，以避免共振的發生。