大功率屏蔽式核主泵浸沒(méi)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、核電是最重要的清潔能源之一。為了提高核電安全性，第三代核主泵采用屏蔽電機(jī)主泵，以避免一回路冷卻劑的泄漏。屏蔽電機(jī)主泵電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間不同于普通電機(jī)的氣隙，充滿了液體冷卻劑介質(zhì)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子成為液體浸沒(méi)式轉(zhuǎn)子，兩端通過(guò)兩個(gè)水潤(rùn)滑徑向軸承支撐在定子殼體，定子端部焊接在蒸發(fā)器下端。屏蔽電機(jī)主泵特殊的安裝方式和轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境使得其動(dòng)力學(xué)行為顯著不同于傳統(tǒng)的軸封式核主泵。本文以屏蔽式核主泵為對(duì)象，研究定轉(zhuǎn)子表面與環(huán)形間隙內(nèi)冷卻介質(zhì)相互作用規(guī)律，結(jié)合核

2、主泵的立式懸臂安裝模式以及可傾瓦水潤(rùn)滑徑向軸承的動(dòng)壓支承性能，建立以液體浸沒(méi)轉(zhuǎn)子為核心的屏蔽式核主泵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用復(fù)模態(tài)分析方法解耦動(dòng)力學(xué)有限元模型，通過(guò)Newmark數(shù)值積分方法，預(yù)測(cè)屏蔽電機(jī)主泵的穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)和瞬態(tài)地震響應(yīng)，為主泵的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。
　　一、屏蔽電機(jī)定轉(zhuǎn)子間隙環(huán)流的力學(xué)效應(yīng)
　　屏蔽電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間冷卻模式由氣冷更改為液冷將直接影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)行為?；谡w流動(dòng)規(guī)律和壁面等效摩擦系數(shù)方法，根

3、據(jù)連續(xù)定律和動(dòng)量定律建立間隙環(huán)流的偏微分控制方程組。使用加權(quán)余數(shù)法建立間隙環(huán)流有限元分析模型，分析了環(huán)流內(nèi)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的壓力分布規(guī)律，揭示了間隙環(huán)流對(duì)轉(zhuǎn)子的力學(xué)效應(yīng)。建立了用于研究間隙環(huán)流力學(xué)特性的原理性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)試間隙環(huán)流周向壓力分布、轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)以及定轉(zhuǎn)子固有頻率，驗(yàn)證了理論分析模型的準(zhǔn)確性。研究表明，間隙環(huán)流對(duì)轉(zhuǎn)子的附加質(zhì)量，阻尼和剛度系數(shù)受間隙比和偏心率的影響比較大。當(dāng)轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅度較大時(shí)，間隙環(huán)流中出現(xiàn)較多的高頻壓力分量。

4、理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明間隙環(huán)流有負(fù)剛度特性，對(duì)轉(zhuǎn)子有較強(qiáng)的附加質(zhì)量效應(yīng)，能夠顯著降低轉(zhuǎn)子的固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速，增加系統(tǒng)阻尼。間隙環(huán)流影響下干濕轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)行為有顯著差異。
　　二、水潤(rùn)滑徑向軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑性能及熱沖擊響應(yīng)
　　基于動(dòng)壓潤(rùn)滑紊流雷諾方程和能量方程研究了核主泵立式水潤(rùn)滑徑向可傾瓦軸承的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能。軸承剛度阻尼系數(shù)隨著載荷的增大而近似線性增大?？蓛A瓦徑向軸承交叉剛度阻尼系數(shù)很小，有利于轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。仿真分析了軸瓦

5、在力載荷和動(dòng)壓液膜溫度載荷下產(chǎn)生的變形對(duì)軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。研究表明，軸瓦力變形對(duì)軸承的承載能力影響較大，特別是重載時(shí)，軸瓦的力變形能降低軸承的承載能力。與傳統(tǒng)的油潤(rùn)滑徑向軸承相比，核主泵水潤(rùn)滑徑向軸承在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)壓液膜溫升較小，對(duì)軸承潤(rùn)滑性能的影響較弱。針對(duì)核主泵在失水事故工況下特有的冷卻劑溫度突然升高工況，仿真分析了事故過(guò)程中軸承主要部件的熱變形規(guī)律及軸承動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的瞬態(tài)變化規(guī)律。結(jié)果表明在液體熱沖擊作用下，軸瓦、轉(zhuǎn)

6、子和軸承座均發(fā)生不同程度的熱變形。其中轉(zhuǎn)子和軸承座的變形較小可以忽略，軸瓦在熱沖擊作用下發(fā)生的卷曲變形，會(huì)影響動(dòng)壓液膜厚度分布規(guī)律，使軸瓦傾角增大，軸承承載能力降低。
　　三、屏蔽式核主泵在地震載荷下的瞬態(tài)響應(yīng)
　　建立了屏蔽電機(jī)主泵定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)經(jīng)由水潤(rùn)滑軸承和間隙環(huán)流流固作用關(guān)聯(lián)的動(dòng)力學(xué)仿真模型。該模型基于鐵木辛柯梁?jiǎn)卧碚?，將定轉(zhuǎn)子之間的間隙環(huán)流以及水潤(rùn)滑軸承中的潤(rùn)滑液膜用剛度矩陣和阻尼矩陣進(jìn)行等效，在定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的梁?jiǎn)卧?jié)

7、點(diǎn)質(zhì)量上添加間隙環(huán)流的附加質(zhì)量，構(gòu)建定轉(zhuǎn)子之間的動(dòng)力學(xué)作用關(guān)系，形成屏蔽式核主泵定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元?jiǎng)恿W(xué)分析模型。分析了屏蔽式核主泵的動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)及穩(wěn)態(tài)不平衡響應(yīng)。根據(jù)安全停堆地震反應(yīng)譜生成人工時(shí)程地震加速度曲線，分析了屏蔽式核主泵在地震載荷下的瞬態(tài)響應(yīng)特性，評(píng)估了地震條件下核主泵葉輪與定子之間發(fā)生碰磨的可能性，為主泵災(zāi)變工況下的安全性提供了有效評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明在地震載荷作用下，屏蔽式核主泵定子在遠(yuǎn)離泵輪的下端部有比較大的位移響

8、應(yīng)，下徑向軸承的載荷變化比上徑向軸承更劇烈，容易造成下徑向軸承的過(guò)載失效。
　　論文研究了屏蔽電機(jī)主泵定轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通過(guò)間隙環(huán)流和徑向軸承水膜形成的流固耦合作用系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模分析方法。揭示了間隙環(huán)流對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)固有頻率和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，評(píng)估了液體浸沒(méi)轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)行為特征。揭示了分塊式可傾瓦水潤(rùn)滑軸承的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)潤(rùn)滑機(jī)理及由于較小的交叉剛度與阻尼系數(shù)而有利于提高主泵轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的原理。分析了屏蔽電機(jī)主泵在基礎(chǔ)振動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性