葉輪疲勞分析評定方法研究

朱昶帆

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

葉輪既是泵的水力部件，也是轉動部件，其作用是通過電機的帶動，將電能轉化為管道內流體的動能，保持管道內流體流動。在壓水堆核蒸汽供給系統中，反應堆冷卻劑主循環泵(以下簡稱主泵)是唯一的轉動設備，它的可靠性直接影響到反應堆的安全運行。葉輪部件的任何問題都會影響到主泵的試驗、運行，乃至影響核電廠的運營，造成經濟和時間上的損失。

某型主泵葉輪的設計驗證主要是通過工程耐久試驗實現的，因此在其安全相關部件報告中，葉輪的分析僅考慮了超速、地震等簡單工況，分析的關注點也僅僅是蓋板。然而主泵葉輪葉片為了追求較高的水力性能，葉片面積較大，導致葉片結構剛度偏低，如圖1所示。在工程耐久試驗中，就發現葉輪葉片發生了疲勞斷裂。事后分析，發現葉輪受到的載荷引起了葉片的共振，應力集中處的初始缺陷逐漸擴展，就發生了疲勞斷裂。事實證明，這樣的前期分析是不足的，雖然工程耐久試驗能夠發現問題，但是卻客觀上造成了主泵產品交付的延期，拖延了核電廠建造試驗進度。

圖1 葉輪示意圖Fig.1 The illustration of the impeller

決定葉片疲勞壽命的工作應力有兩個：穩態應力水平和交變應力水平，任何一個應力水平過高都會導致葉片疲勞壽命降低。對于葉輪疲勞預估，其方法步驟：求解靜載荷和動載荷下結構響應，在經過靜載荷和動載荷組合基礎上，對結構的疲勞壽命進行計算，靜載荷為離心力與流體靜壓，動載荷為流體動壓[1,2]。……