百萬千瓦級核電站余熱排出泵抗震特性研究.pdf

1、本文在國家科技支撐計(jì)劃課題“百萬千瓦級核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號(hào):2011BAF14804)的資助下開展工作。余熱排出泵是核電站一回路RRA系統(tǒng)的重要組成部分，屬核二級泵，是最關(guān)鍵的核動(dòng)力設(shè)備之一。它位于安全殼內(nèi)，用于保證在反應(yīng)堆事故停堆和正常停堆后帶出堆芯的衰變熱，維持核電廠的安全狀態(tài)，地震響應(yīng)要求為Ⅰ類。該泵運(yùn)行工況復(fù)雜，流體流動(dòng)對泵結(jié)構(gòu)的可靠性影響較大。余熱排出泵及其部件要求在發(fā)生SSE地震載荷期間及之后，能維持承壓特性，完成

2、充水、高壓安全注入和密封注水，因而必須按熱沖擊載荷、正常運(yùn)行載荷、最大管道載荷和SSE地震載荷同時(shí)作用的極端工況進(jìn)行地震響應(yīng)研究。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　1.為了采用安全系數(shù)更高的方法預(yù)防地震可能引起的核電站核泄漏事故，本文采用一種考慮瞬態(tài)流體激振力的新型地震響應(yīng)分析的新方法。基于百萬千瓦級余熱排出泵模型，進(jìn)行固有模態(tài)分析，使用等效靜力方法和響應(yīng)譜方法來分析安全停堆地震(1/2SSE)作用下的響應(yīng)，同時(shí)考慮了重力載荷、運(yùn)

3、行載荷、事故工況下的管道載荷、SSE地震載荷和流體激振力載荷等。流體激振力通過流固耦合方法施加到轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，進(jìn)行了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)考慮流體激振力和不考慮流體激振力的地震響應(yīng)分析。研究了與口環(huán)對應(yīng)的葉輪前蓋板進(jìn)口表面和葉輪出口表面在地震載荷和流體激振力載荷共同作用下產(chǎn)生的變形。
　　(1)在地震載荷和流體激振力作用下，葉輪出口邊的總變形遠(yuǎn)低于葉輪和導(dǎo)葉之間的單邊間隙，與口環(huán)對應(yīng)的葉輪前蓋板進(jìn)口表面的總變形滿足地震響應(yīng)分析的要求。余熱排出泵定

4、子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)之間沒有摩擦和干涉，在地震載荷作用下的運(yùn)行要求得到滿足。
　　(2)研究表明余熱排出泵的主要振動(dòng)模態(tài)是水平方向的平移振動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)階段提高水平方向的強(qiáng)度能夠減少地震對余熱排出泵的影響，且葉輪的旋轉(zhuǎn)不會(huì)引起泵結(jié)構(gòu)的共振。
　　2.為了檢驗(yàn)提出的考慮流體激振力的地震響應(yīng)分析新方法，首次將該方法應(yīng)用到余熱排出泵的實(shí)際工況中，即余熱排出泵的啟動(dòng)階段。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法和有限元分析方法，即響應(yīng)譜方法和流固耦合方法

5、，同時(shí)考慮了地震力和流體激振力，定量分析了啟動(dòng)階段由地震力和流體誘導(dǎo)振動(dòng)引起的葉輪出口邊位移，檢驗(yàn)余熱排出泵動(dòng)靜部件之間的變形是否滿足抗震要求。
　　(1)研究顯示了垂直軸平面內(nèi)兩個(gè)正交方向上可能的非對稱變形，以及葉輪的膨脹變形，此平面內(nèi)葉輪出口邊的變形與水平、豎直方向均呈一定角度，并且該角度增加了葉輪和導(dǎo)葉之間的間隙，減少了安全余量的損失，降低了葉輪變形對余熱排出泵抗震性能的危害性。
　　(2)根據(jù)地震響應(yīng)要求，預(yù)測并分析

6、了啟動(dòng)階段余熱排出泵由地震載荷和流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)引起的葉輪出口邊的變形，得到了葉輪和導(dǎo)葉之間的間隙表達(dá)式，該表達(dá)式是衰減振蕩函數(shù)，由指數(shù)函數(shù)和正弦函數(shù)組合而成。
　　3.通過多地震譜，多輸入方向方法來分析余熱排出泵動(dòng)態(tài)特性和響應(yīng)。利用響應(yīng)譜分析方法，得到余熱排出泵在SSE地震載荷作用下的反應(yīng)譜響應(yīng)分析。利用應(yīng)力場與熱耦合的方式，通過基于耦合場理論的有限元方法求解熱沖擊，針對余熱排出泵的熱沖擊過程，對泵體和葉輪在熱沖擊工況下的變形和應(yīng)力

7、分布進(jìn)行了分析。
　　(1)在不同地震譜輸入方向下，最大變形發(fā)生在約135°的方向，為了采用安全裕量最大的方法評估余熱排出泵的地震響應(yīng)性能，地震響應(yīng)分析應(yīng)該在135°地震譜輸入方向下進(jìn)行，但設(shè)計(jì)時(shí)針對地震頻繁發(fā)生的安裝角度應(yīng)該避免135°，以此來降低由地震力引起的變形。
　　(2)研究表明，余熱排出泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和定子系統(tǒng)之間的間隙滿足地震響應(yīng)性能要求。相比于已有的確定泵地震響應(yīng)特性的分析方法，本研究能夠簡便地直接得到轉(zhuǎn)子和定子