百萬千瓦級核電常規島主給水泵葉輪強度分析

胡永海，林永祥，陳乃娟

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海201316）

百萬千瓦級核電常規島主給水泵葉輪強度分析

胡永海，林永祥，陳乃娟

（中國電建集團上海能源裝備有限公司，上海201316）

以百萬千瓦級核電常規島主給水泵為研究對象，采用ANSYS12.0軟件對主給水泵葉輪強度進行分析和評定，將流體作用于葉片表面的力作為葉片表面載荷，通過對葉片強度分析與鍵槽根部處強度分析，結果表明：按照ASME II NB卷中有關核I級部件的標準核電常規島主給水泵葉輪設計滿足安全性要求。

常規島主給水泵；葉片強度；鍵槽強度；ASME標準

中國作為能源緊缺國家，將逐步提高核電在其能源結構中的比重，未來主要建設以第三代核電為主。百萬千瓦級核電常規島主給水泵也將成我中國核電走出世界的起點。常規島主給水泵是核電站內僅次于核島主泵的關鍵設備，是核電站二回路系統中主要設備和壓力邊界設備之一，是保證核島安全運行和汽水品質的重要熱工系統[1-2]。國內百萬等級核電站主給水泵長期被國外公司壟斷，具有技術含量高，設計、制造及試驗難度大等特點。

本文所研究的百萬千瓦級核電常規島主給水泵是臥式雙吸泵，屬于非核級泵，但要求對主給水泵在核I級條件（依據ASME規范）下進行力學分析和安全評定，本文采用ANSYS12.0軟件就主給水泵葉輪強度進行分析和評定。

1 模型與邊界條件

1.1 分析模型

葉輪有七片葉片，為雙吸葉輪。葉輪的鍵槽部位進行了“局部剖”，具體幾何模型，如圖1所示。

圖1 葉輪幾何模型

對于葉輪，同樣在鍵槽處及葉片根部進行局部網格加密、細化，最終模型的單元數為178萬，具體如圖2所示。

圖2 葉輪有限元模型

1.2 材料力學性能

主給水泵葉輪的材料是ZG06Cr13Ni4Mo.由甲方提供的材料ZG06Cr13Ni4Mo的化學成分見表1，力學性能見表2.

表1 ZG06Cr13Ni4Mo化學成分

表2 ZG06Cr13Ni4Mo力學性能

1.3 邊界條件

根據水力分析CFD結果，將流體作用于葉片表面的力作為葉片載荷，對葉輪進行載荷及邊界條件設置，水力計算使用的為核電常規島主給水泵額定運行工況，具體參數如表3所示。邊界條件具體設置如圖3所示[3-5]。

表3 主給水泵特性參數

圖3 載荷及邊界條件設置

由于鍵槽根部處存在軸對葉輪的作用力，通過對葉輪的鍵槽進行“局部剖”后，將被剖出部分與葉輪主體做綁定接觸，設置徑向、軸向約束，添加扭矩，具體設置如圖4所示。

圖4 載荷及邊界條件設置

2 分析結果

2.1 評定方法

對于葉輪的葉片強度及葉輪上的鍵槽強度，按表4所示的評定準則進行評定。

表4 葉片及鍵槽評定準則

其中：S為有限元分析所得應力值；k為安全系數（k=2）；

Sy為材料屈服強度限值，查ASME-II-D篇，可知Sy=550 MPa.

2.2 葉片強度分析

葉片強度分析包括整個葉輪應力分布和鍵槽根部處應力分布兩部分。設置好載荷及邊界條件，并劃分好網格后，使用ANSYS 12.0進行求解，葉輪應力分布如圖5所示。由壓力分布圖可知，葉片根部處有較大應力集中，約為202 MPa.評定結果如表5所示。

圖5 葉輪應力分布圖

表5 葉片強度評定

2.3 鍵槽根部處強度分析

葉輪上鍵槽被剖出部分應力分布如圖6所示，由壓力分布圖可知，葉片根部處有較大應力集中，約為202 MPa.評定結果如表6所示。

圖6 葉輪鍵槽應力分布

表6 鍵槽強度評定

3 結論

本文對主給水泵葉輪按照非承壓部件進行分析評定。使用了ANSYS 12.0進行應力分析，考慮了水力計算結果，將其作用于葉片表面形成載荷，并按照ASME II NB卷中有關核I級部件的標準對上述部件進行評定，均滿足安全性要求。

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Blade Strength Analysis of 1000MW Class Nuclear Conventional Island Pump

HU Yong－hai，LIN Yong－xiang，CHEN Nai－juan
（Powerchina SPEM Company limted，Shanghai 201316，China）

By taking 1000MW class nuclear conventional island pump as the research object，ANSYS12.0 soft has been developed to analysis nuclear conventional island pump of blade strength and keyway strength，by taking blade force from fluid.Results indicated that analysis of nuclear conventional island pump meet the standard requirement of ASME II NB.

nuclear conventional island pump；blade strength；keyway strength；ASME

TK223.5

A

1672-545X（2017）09-0021-02

2017-06-05

胡永海（1985-），男，甘肅蘭州人，碩士，工程師，研究方向：流體機械。