三代非能動核電站余熱排出泵轉子臨界轉速分析

2017-08-10 02:35:10

中國設備工程 2017年15期

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

周文霞，鐘云，夏迪

（上海核工程研究設計院，上海 200233）

以三代非能動核電站正常余熱排出泵轉子系統為研究對象，建立泵轉子及泵機組的有限元模型，采用耦聯計算得到轉子系統的第一階臨界轉速為1872r/min，比通過解耦計算得到的結果小8%，其結果更加接近實際。分析結果表明，轉子第一階臨界轉速大于泵工作轉速的20%，滿足規范書的要求。

余熱排出泵；有限元；臨界轉速；耦聯計算

RNS正常余熱排出泵（以下簡稱“余排泵”）是三代非能動核電站輔助廠房內正常余熱排出系統（RNS）的主要設備之一，也是三代非能動核電站中除主泵以外的唯一核級泵，其主要功能為：（1）在停堆運行時提供反應堆冷卻劑的余熱排出。（2）在自動卸壓系統（ADS）啟動后，從乏燃料池冷卻系統（SFS）裝料池向RCS提供低壓補水。（3）在需要時，提供安全殼內置換料水箱的余熱排出。（4）事故后向RCS提供長期的補水通道。余排泵的設備分級為C級，屬于安全3級、抗震I類設備。余排泵設備規范書中要求確定泵機組轉動部件的臨界轉速，確保泵的工作轉速遠離臨界轉速以避免劇烈振動引起的泵機組損壞。上述要求是確認泵機組結構設計合格的必要條件，本文通過轉子臨界轉速分析考察某泵制造廠自主設計的余排泵是否滿足上述要求。

1 臨界轉速計算方法

臨界轉速在數值上等于轉子固有頻率對應的轉速，一般泵設計資料中和泵廠提供的分析中，轉子臨界轉速分析采用的模型是一個獨立的轉子系統模型，由于其忽略了支撐系統剛度的影響，會造成計算的臨界轉速偏高。除非支撐系統剛性很大，方可這樣分析，但要滿足以下解耦條件。符合下列情況之一時，可解耦：（1）λm＜0.01。（2）0.01≤λm≤0.1，且λf≤0.8或λf≥1.25。（注：λm為被支撐的子體系的總質量與主體系的總質量之比，λf為被支撐的子體系的基本頻率與主體系的主導頻率之比）。本文研究的余排泵其轉子系統總重635kg，泵機組總重4300kg，λm=0.14，不符合解耦的條件。因此臨界轉速分析應考慮支撐系統的影響，本文正是建立了余排泵機組（包括轉子組件）模型，對轉子系統的臨界轉速進行分析。

2 余熱排出泵轉子系統模型

余排泵的結構如圖1所示。該泵為立式單級離心泵，泵軸與電機軸通過剛性聯軸器連接，泵軸上布置有一導軸承承受徑向力，電機軸上有一導軸承和推力軸承分別承受徑向力和軸向力。整臺泵由三根工字鋼立柱支撐，泵進口為垂直方向，泵出口為水平方向。

圖1 余排泵的結構模型

由于該泵的結構復雜，建立泵的三維實體力學模型比較困難，為便于研究，在保證一定計算精度的前提下，將該泵模型進行適當的簡化，簡化的有限元模型見圖2，在簡化的過程中遵循以下原則。（1）將具有較大質量的部件作為質量的集中點，如將泵殼、泵蓋、電機、葉輪、聯軸器等簡化為集中質量點，采用mass21單元模擬。（2）轉子和電機殼簡化成管，采用pipe16模擬，電機支架和泵輔助支撐簡化成梁，采用beam44單元模擬。（3）將聯結剛度很大的兩個聯結零件看作一個整體，節點之間采用剛性連接，如泵殼與泵蓋之間。（4）電機軸承和導軸承采用彈簧單元進行模擬。建立的泵和電機有限元模型如圖2所示，該模型未包括支撐，帶支撐的分析模型如圖3所示。