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劃課題“百萬千瓦級核電離心泵關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號: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。該泵運行工況復(fù)雜，流體流動對泵結(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、正常運行載荷、最大管道載荷和SSE地震載荷同時作用的極端工況進行地震響應(yīng)研究。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點有:
　　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)，同時考慮了重力載荷、運

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行要求得到滿足。
　　(2)研究表明余熱排出泵的主要振動模態(tài)是水平方向的平移振動，因此在設(shè)計階段提高水平方向的強度能夠減少地震對余熱排出泵的影響，且葉輪的旋轉(zhuǎn)不會引起泵結(jié)構(gòu)的共振。
　　2.為了檢驗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際工況中，即余熱排出泵的啟動階段。采用計算流體動力學(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、，同時考慮了地震力和流體激振力，定量分析了啟動階段由地震力和流體誘導(dǎo)振動引起的葉輪出口邊位移，檢驗余熱排出泵動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、了啟動階段余熱排出泵由地震載荷和流動誘導(dǎo)振動引起的葉輪出口邊的變形，得到了葉輪和導(dǎo)葉之間的間隙表達式，該表達式是衰減振蕩函數(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行，但設(shè)計時針對地震頻繁發(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