帶工質(zhì)情況下泵的抗震性能計(jì)算分析

引言

泵用于實(shí)現(xiàn)流體的定向輸送,是核電站系統(tǒng)中常見的關(guān)鍵設(shè)備。泵進(jìn)行抗震分析的目的在于確保泵在地震載荷、自重載荷、接管載荷、內(nèi)壓等載荷共同作用下保持結(jié)構(gòu)完整性和可運(yùn)行性。

目前,國(guó)內(nèi)外采用的抗震分析方法有等效靜力法、反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法,這三種方法根據(jù)結(jié)構(gòu)物與地震之間的動(dòng)力特性和時(shí)程關(guān)系進(jìn)行區(qū)分,根據(jù)實(shí)際計(jì)算要求和條件分別適用。近年來,學(xué)者對(duì)于泵類抗震分析主要是采用反應(yīng)譜法和等效靜力法,將泵模型簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)系模型;也有學(xué)者采用三維實(shí)體模型進(jìn)行分析。

通常情況下,泵的抗震數(shù)值分析均采用不帶有液體工質(zhì)的泵體模型,不考慮泵內(nèi)工質(zhì)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。但實(shí)際上,泵在運(yùn)行或熱備用工況下,泵體內(nèi)始終充滿液體工質(zhì),是一種泵體加液體工質(zhì)的混合狀態(tài)。本文采用泵體加內(nèi)部液體工質(zhì)的混合模型進(jìn)行抗震分析,將結(jié)算結(jié)果與常規(guī)不帶液體的泵體模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,并分析和評(píng)估不同的模型選擇對(duì)抗震計(jì)算結(jié)果的影響。

1計(jì)算模型

1.1泵模型結(jié)構(gòu)

計(jì)算對(duì)象為臥式單級(jí)單吸軸進(jìn)徑出式碳鋼離心泵。本文采用solidworks軟件按原尺寸分別對(duì)泵體、轉(zhuǎn)子、軸、機(jī)械密封、軸承箱體、支腳、泵蓋、前后軸承壓蓋等部件進(jìn)行造型和建模,并對(duì)部件局部復(fù)雜結(jié)構(gòu)適當(dāng)簡(jiǎn)化后進(jìn)行組合,泵體模型及剖面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該泵由380V空冷電機(jī)驅(qū)動(dòng),放置于室內(nèi)。額定揚(yáng)程為28m,額定流量為220m3/h,最小流量為154m3/h,最大流量為264m3/h,轉(zhuǎn)速不超過3000r/min。系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力為1MPa,設(shè)計(jì)溫度為60℃。泵組正常運(yùn)行環(huán)境壓力為大氣壓力,正常運(yùn)行環(huán)境溫度為0~45℃,事故狀態(tài)下最高環(huán)境溫度為60℃。輸送工質(zhì)為加磷酸鈉的核島除鹽水。計(jì)算模型各部件使用的材料如表1所示。

該泵在事故工況下須迅速啟動(dòng),為其他系統(tǒng)提供冷卻水和軸封水,因此實(shí)際工作過程中泵內(nèi)部一直充滿工質(zhì)。圖2為考慮泵內(nèi)流體工質(zhì)的混合模型。

1.2網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

反應(yīng)譜法是將振型組合以得到地震響應(yīng),固有頻率以及相應(yīng)的振型是本文研究關(guān)注的對(duì)象。本文以模態(tài)分析得到的第一階固有頻率作為網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的評(píng)判指標(biāo)。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

在泵內(nèi)不含流體工質(zhì)時(shí),泵體網(wǎng)格數(shù)量超過40萬后,其第一階固有頻率的計(jì)算結(jié)果不再隨網(wǎng)格數(shù)量增加而變化(如點(diǎn)實(shí)線所示),即網(wǎng)格數(shù)量為40萬時(shí)可滿足計(jì)算精度要求。在泵內(nèi)充滿流體工質(zhì)時(shí),網(wǎng)格數(shù)量超過50萬后,其第一階固有頻率的計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定(如點(diǎn)虛線所示),即在網(wǎng)格數(shù)量為50萬時(shí)可滿足計(jì)算精度要求。因此,本文對(duì)于充滿流體工質(zhì)的泵網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為50萬。

2地震響應(yīng)譜分析

地震響應(yīng)譜分析以模態(tài)分析為基礎(chǔ),需要將地表震動(dòng)引起的振型與結(jié)構(gòu)自身固有頻率對(duì)應(yīng)的振型采用一定的組合方式來進(jìn)行疊加,從而得到最終的應(yīng)力響應(yīng)與位移響應(yīng)。

2.1泵體模型

2.1.1模態(tài)分析

模態(tài)分析時(shí),泵轉(zhuǎn)子與定子間的接觸類型選為一般的剛性接觸。泵體的支撐由三個(gè)支腳與底座相連接實(shí)現(xiàn),本文忽略地腳螺栓結(jié)構(gòu),將支腳底面的約束條件設(shè)置為固定約束:忽略聯(lián)軸器及電機(jī),將軸與聯(lián)軸器相接觸的部分約束條件設(shè)置為圓柱體約束并約束軸向位移:對(duì)于接管約束,由于模型忽略了輸口和出口法蘭及與法蘭相接的管道,但是在管道上的支撐不能忽略,因此對(duì)輸水口和出水口采用遠(yuǎn)端位移約束,且沿軸向方向約束位移。

計(jì)算得出泵的第一階固有頻率為351.88Hz,遠(yuǎn)大于50Hz的地震譜頻率。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物的固有頻率比地震動(dòng)頻率大很多時(shí),結(jié)構(gòu)物在地震時(shí)才可能幾乎不產(chǎn)生變形而可以被當(dāng)作剛體,靜力分析法才能成立。因此,靜力分析法在本文泵體模型中適用。

2.1.2地震響應(yīng)譜分析結(jié)果

圖4為當(dāng)?shù)丶铀俣鹊卣鹱V,分為垂直方向和水平方向。為找出最嚴(yán)重的情況來做應(yīng)力評(píng)定,本文將考察地震譜在不同角度~輸時(shí)的應(yīng)力和位移響應(yīng)。對(duì)于垂直方向加速度有上下兩個(gè)方向,而對(duì)于水平方向則以3正方向?yàn)榛鶞?zhǔn)按每間隔一定的角度~輸一組水平方向地震譜。

地震譜阻尼比為3%,響應(yīng)組合方式采用SRSS方法,譜分析方法采用單點(diǎn)響應(yīng)譜分析法。其中,地震譜~輸角度為水平方向與3方向的夾角。

在泵體模型情況下,抗震計(jì)算結(jié)果如表2所示。

2.2混合模型

2.2.1模態(tài)分析

混合模型計(jì)算的邊界條件與上一節(jié)中的泵體模型設(shè)置一樣,不同的是內(nèi)部工質(zhì)液體與固體間的接觸設(shè)置為沒有法向分離。計(jì)算得出泵的第一階固有頻率為405.54Hz。

2.2.2地震響應(yīng)譜分析結(jié)果

在相同的地震譜~輸條件下,響應(yīng)組合方式采用SRSS方法,譜分析方法仍采用單點(diǎn)響應(yīng)譜分析法。

在混合模型情況下,抗震計(jì)算結(jié)果如表3所示。

2.2結(jié)果對(duì)比

對(duì)比表2與表3所示的響應(yīng)譜分析數(shù)據(jù),殼體模型和混合模型的計(jì)算結(jié)果有明顯差異,其中最大應(yīng)力位置發(fā)生變化,最大應(yīng)力數(shù)值前者明顯大于后者(約2R4倍),最大位移值略大但比較接近。

對(duì)于不帶有液體工質(zhì)的情況,泵最大應(yīng)力位置在葉輪葉片根部,最大位移位置在葉輪輪蓋側(cè)邊和泵體出水口處。對(duì)于泵充滿了液體工質(zhì)的情況,最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在泵體外殼與支腳連接處,最大位移響應(yīng)位置僅出現(xiàn)在泵體出水口處。

3等效靜力法分析

3.1邊界條件及輸入載荷設(shè)置

轉(zhuǎn)子和定子之間設(shè)為線性接觸,即在切向上可自由滑動(dòng)。其他部件之間接觸定義為一般剛性接觸,即無相對(duì)位移,接觸部分可看做共用節(jié)點(diǎn)。

邊界條件為底部支腳固定約束,忽略聯(lián)軸器后將軸與聯(lián)軸器相接觸的部分約束條件設(shè)置為圓柱體約束并設(shè)置為軸向固定,對(duì)于接管約束,采用遠(yuǎn)端位移約束且沿軸向方向約束位移。

輸入載荷為自重載荷、地震載荷和接管載荷。自重載荷通過重力加速度的形式輸入。地震載荷通過加速度的形式輸入,方向設(shè)置分為垂直方向和水平方向,垂直方向分上下兩個(gè)方向,水平方向按一定角度間隔設(shè)置,數(shù)值大小取為地震加速度譜的最大值。接管載荷是施加在泵入水口和出水口上的載荷,通過力和力矩的形式輸入。

3.2等效靜力法計(jì)算結(jié)果

泵體模型與混合模型的邊界條件與輸入載荷的設(shè)置基本一致,唯一不同的是混合模型包含泵與泵內(nèi)流體工質(zhì)兩種自重載荷。兩種模型的計(jì)算結(jié)果分別如表4、表5所示。

由表4與表5的靜力分析結(jié)果比較可知,所有最大應(yīng)力計(jì)算值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值,發(fā)生在轉(zhuǎn)子與定子之間的最大位移值也小于轉(zhuǎn)子和定子的間隙值。不帶有流體工質(zhì)泵的最大應(yīng)力位置在葉片根部,應(yīng)力值整體高于混合模型,而混合模型的最大應(yīng)力則出現(xiàn)在支腳與泵殼連接處,個(gè)別點(diǎn)的最大應(yīng)力計(jì)算值在相同條件下大于泵體模型[如0o(y-)方向和0o(y+)方向]。一方面,這是由于液體工質(zhì)相對(duì)于空氣而言,具有更大的密度和黏性,可產(chǎn)生更有效的緩沖作用,包裹葉輪的液體工質(zhì)降低了應(yīng)力與位移響應(yīng)。另一方面,液體工質(zhì)同時(shí)也提供了更大的重力,所以使得支腳與泵殼連接處的應(yīng)力值變大。

從安全性分析角度來看,采用泵體模型并不能在所有維度上覆蓋,混合模型可能在某些方面計(jì)算獲得更高的參數(shù)數(shù)值。此外,由計(jì)算可知地震譜輸入方向的改變對(duì)計(jì)算結(jié)果有明顯的影響,其中水平方向的改變影響較大。因此,載荷加載方向也是抗震分析的重要影響因素,具體情況還受到計(jì)算模型具體結(jié)構(gòu)的影響。

4結(jié)論

(1)采用反應(yīng)譜法和等效靜力法兩種方法,分別對(duì)不含流體工質(zhì)的泵體模型和含流體工質(zhì)的混合模型進(jìn)行抗震分析計(jì)算,結(jié)果均表明該泵在地震載荷下能夠保證其結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

(2)采用泵體模型計(jì)算的最大位移值普遍大于混合模型的計(jì)算結(jié)果。泵體模型的最大響應(yīng)位置為葉輪等泵體關(guān)鍵位置,混合模型的最大響應(yīng)位置則為泵體出水口位置。

(3)泵內(nèi)是否充滿液體工質(zhì)以及載荷的加載方向?qū)τ?jì)算結(jié)果具有一定影響。因此,對(duì)此類型的泵進(jìn)行抗震計(jì)算與分析時(shí),若基于泵體模型的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于破壞極限值,則可認(rèn)為抗震校核成功:若基于泵體模型的計(jì)算結(jié)果接近破壞極限值,則可考慮添加流通域,采用混合模型進(jìn)行進(jìn)一步校核計(jì)算,同時(shí)考慮載荷加載方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響,以獲得更加精確的抗震校核計(jì)算結(jié)果。