飛輪斷裂力學分析

哈爾濱電氣動力裝備有限公司 賈 鑫 楊 彬

1.前言

核反應堆冷卻劑泵電機飛輪的主要功能是提供足夠大的轉動慣量，在正常運行時可以儲備能量，以保證斷電時通過釋放能量驅動泵機組繼續轉動，從而使冷卻劑流量緩慢下降，避免燃料損壞。鑒于飛輪質量大、轉速高，一旦破裂，將造成冷卻劑泵機組的劇烈振動，并有足夠的動能產生飛射物，可能損壞反應堆冷卻劑系統、安全殼或其它設備和系統，后果非常嚴重。因此對不同轉速下飛輪的應力和變形進行分析，保證飛輪的完整性，使飛輪破裂的可能性降至最低，是非常重要的。

分別用傳統的解析方法和有限元方法計算了飛輪在靜止狀態、正常轉速和超速轉速下（125%額定轉速）的應力和變形。飛輪的強度應滿足美國核管理委員會“標準審查大綱”5.4.1.1的規定。根據規范要求，計算了飛輪的延性斷裂臨界轉速，并使其高于正常轉速的2倍，本文主要介紹斷裂力學的分析。

2.結構說明

主泵電機飛輪主要由飛輪圓盤和內襯套組成。兩者采用過盈配合，然后一同組套在泵電動機的軸上。泵電動機超速運轉時，為了防止飛輪破裂，使其及時從轉軸上脫落是重要的。為此，設計中飛輪的內襯套與軸之間采用圓錐配合。

3.斷裂力學分析

利用線彈性斷裂力學理論，估算了飛輪的臨界裂紋尺寸。分析中假設飛輪圓盤內圓表面有半橢圓表面裂紋，臨界裂紋尺寸的大小由飛輪的工作應力和材料的斷裂韌性來確定。考慮到主泵電動機的使用期限內大量的起、停機次數，導致應力低周循環，使飛輪組件中尚存的初始裂紋逐漸增長臨界裂紋尺寸，飛輪體破裂，分析中假設40年使用壽命內約為15000次循環周期。

3.1 飛輪表面臨界裂紋的估算

由線彈性斷裂力學知識，應力強度因子：

對于表面半橢圓裂紋：

由（11.1）式可以得出裂紋尺寸：

臨界裂紋尺寸：

這里，材料斷裂韌性：

形狀因子：

脫落轉速時的環向應力：

計算得臨界裂紋尺寸：

遠大于漏檢缺陷尺寸1.6mm，安全。

3.2 斷裂壽命評估

計算時，初始裂紋尺寸取為預期漏檢缺陷的最大尺寸1.6mm，為使計算偏于安全，將缺陷尺寸擴大10倍，即ai=16mm

裂紋擴展速率為發：

其中c和n是與試驗條件有關的材料參數。

應力強度因子波動幅：

將數據帶入公式中便得到斷裂壽命，N=46830000次，按泵電動機安全運行40年的壽期，其低周疲勞應力循環周期約為15000次，4683000>1500，合格。

3.3 安全性評估

飛輪以正常轉速運轉時的應力強度因子：

將數據帶入公式得到應力強度因子：

KI=5218，安全。

4.結論

經計算，在飛輪內表面假設存在允許的最大缺陷1.6mm時，飛輪的斷裂壽命及安全性評估均滿足要求。

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