大功率屏蔽式核主泵浸沒轉子系統(tǒng)動力學特性研究.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主泵，以避免一回路冷卻劑的泄漏。屏蔽電機主泵電機定轉子之間不同于普通電機的氣隙，充滿了液體冷卻劑介質，使得電機轉子成為液體浸沒式轉子，兩端通過兩個水潤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。屏蔽電機主泵特殊的安裝方式和轉子運轉環(huán)境使得其動力學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象，研究定轉子表面與環(huán)形間隙內冷卻介質相互作用規(guī)律，結合核

2、主泵的立式懸臂安裝模式以及可傾瓦水潤滑徑向軸承的動壓支承性能，建立以液體浸沒轉子為核心的屏蔽式核主泵系統(tǒng)動力學模型，利用復模態(tài)分析方法解耦動力學有限元模型，通過Newmark數值積分方法，預測屏蔽電機主泵的穩(wěn)態(tài)不平衡響應和瞬態(tài)地震響應，為主泵的動力學設計提供技術支撐。
　　一、屏蔽電機定轉子間隙環(huán)流的力學效應
　　屏蔽電機定轉子之間冷卻模式由氣冷更改為液冷將直接影響轉子的動力學行為。基于整體流動規(guī)律和壁面等效摩擦系數方法，根

3、據連續(xù)定律和動量定律建立間隙環(huán)流的偏微分控制方程組。使用加權余數法建立間隙環(huán)流有限元分析模型，分析了環(huán)流內穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的壓力分布規(guī)律，揭示了間隙環(huán)流對轉子的力學效應。建立了用于研究間隙環(huán)流力學特性的原理性實驗平臺，通過測試間隙環(huán)流周向壓力分布、轉子不平衡響應以及定轉子固有頻率，驗證了理論分析模型的準確性。研究表明，間隙環(huán)流對轉子的附加質量，阻尼和剛度系數受間隙比和偏心率的影響比較大。當轉子振動幅度較大時，間隙環(huán)流中出現較多的高頻壓力分量。

4、理論和實驗研究均表明間隙環(huán)流有負剛度特性，對轉子有較強的附加質量效應，能夠顯著降低轉子的固有頻率和臨界轉速，增加系統(tǒng)阻尼。間隙環(huán)流影響下干濕轉子的動力學行為有顯著差異。
　　二、水潤滑徑向軸承動壓潤滑性能及熱沖擊響應
　　基于動壓潤滑紊流雷諾方程和能量方程研究了核主泵立式水潤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很小，有利于轉子的穩(wěn)定運轉。仿真分析了軸瓦

5、在力載荷和動壓液膜溫度載荷下產生的變形對軸承動壓潤滑性能的影響規(guī)律。研究表明，軸瓦力變形對軸承的承載能力影響較大，特別是重載時，軸瓦的力變形能降低軸承的承載能力。與傳統(tǒng)的油潤滑徑向軸承相比，核主泵水潤滑徑向軸承在穩(wěn)態(tài)運行過程中動壓液膜溫升較小，對軸承潤滑性能的影響較弱。針對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，仿真分析了事故過程中軸承主要部件的熱變形規(guī)律及軸承動壓潤滑性能的瞬態(tài)變化規(guī)律。結果表明在液體熱沖擊作用下，軸瓦、轉

6、子和軸承座均發(fā)生不同程度的熱變形。其中轉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，會影響動壓液膜厚度分布規(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
　　建立了屏蔽電機主泵定轉子系統(tǒng)經由水潤滑軸承和間隙環(huán)流流固作用關聯的動力學仿真模型。該模型基于鐵木辛柯梁單元理論，將定轉子之間的間隙環(huán)流以及水潤滑軸承中的潤滑液膜用剛度矩陣和阻尼矩陣進行等效，在定轉子結構的梁單元節(jié)

7、點質量上添加間隙環(huán)流的附加質量，構建定轉子之間的動力學作用關系，形成屏蔽式核主泵定轉子系統(tǒng)的有限元動力學分析模型。分析了屏蔽式核主泵的動力學特征參數及穩(wěn)態(tài)不平衡響應。根據安全停堆地震反應譜生成人工時程地震加速度曲線，分析了屏蔽式核主泵在地震載荷下的瞬態(tài)響應特性，評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，為主泵災變工況下的安全性提供了有效評價方法。研究結果表明在地震載荷作用下，屏蔽式核主泵定子在遠離泵輪的下端部有比較大的位移響

8、應，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載失效。
　　論文研究了屏蔽電機主泵定轉子系統(tǒng)通過間隙環(huán)流和徑向軸承水膜形成的流固耦合作用系統(tǒng)的動力學建模分析方法。揭示了間隙環(huán)流對轉子系統(tǒng)固有頻率和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，評估了液體浸沒轉子的動力學行為特征。揭示了分塊式可傾瓦水潤滑軸承的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)潤滑機理及由于較小的交叉剛度與阻尼系數而有利于提高主泵轉子運轉穩(wěn)定性的原理。分析了屏蔽電機主泵在基礎振動條件下的動態(tài)響應特性