核电屏蔽电机主泵大惯量飞轮技术

陈刚，张贵滨

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)



核电屏蔽电机主泵大惯量飞轮技术

陈刚，张贵滨

(哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150040)

根据大惯量飞轮应力强度需满足要求，以确保反应堆的安全的要求。分别采用解析分析方法与有限元分析方法，对额定转速及设计转速工况下飞轮的一次应力进行计算分析，并对分析结果进行评定，结果表明飞轮的一次应力强度满足规范要求。两种方法的分析结果一致，论证了飞轮的一次应力分析结果是切实可行的。

屏蔽电机主泵；大惯量；飞轮；一次应力

0 引言

屏蔽主泵系立式、单级、无轴封、高惯量离心泵，用来输送高温、高压、大流量的反应堆冷却剂，是有效调整反应堆温度、保证反应堆安全的重要设备。为了保证屏蔽主泵在反应堆紧急停堆或全厂断电事故等工况下，仍能提供一定的惰转流量，继续驱动反应堆冷却剂循环，冷却堆芯，为紧急停堆操作提供必要的缓冲时间，因此在屏蔽主泵电机轴上安装大惯量的飞轮，保证主泵停堆后具有足够的惰转能力，从而保证反应堆的安全。

飞轮除具有一定转动惯量外，还应保证飞轮结构部件在额定转速、设计转速等工况下应力强度满足要求，以确保飞轮结构的完整性，保证反应堆的安全可靠运行。本文分别采用解析计算方法与有限元计算方法对飞轮的应力强度进行分析，并依据法规要求对分析结果进行判定，结果表明飞轮部件的应力强度满足要求。

1 飞轮结构与设计准则

1.1 飞轮结构

屏蔽电机主泵飞轮材料为高密度钨基合金金属材料，该种材料密度约为18.4g/cm3。在保证机械强度的前提下，为满足转动惯量要求，将钨基合金尽量放置在轮毂外沿，充分发挥钨基合金的有效作用。由于质量大的钨基合金在高速旋转状态下产生大的离心力，进而产生了大的飞射物能量，为了减少可能成为飞射物的碎块质量及飞射物能量需要减少飞射物的质量，因此钨基合金采用分瓣的扇形块结构。为保证在正常运行工况、瞬态工况甚至事故工况下，钨合金质量之间不会产生相对位移而影响主泵转子良好的动平衡状态，在钨合金扇形块外热套一定壁厚且具有高强度的保持环，并具有足够的过盈量，使得高速旋转状态下钨合金块产生的离心力完全由保持环承受，确保飞轮结构的完整。在飞轮两个端面及外侧分别设置不锈钢盖板及屏蔽外套，与飞轮轮毂构成封闭腔体，避免高强度的保持环与钨合金块受到反应堆冷却剂的腐蚀。

1.2 飞轮材料特性

飞轮材料特性见表1。

表1 飞轮材料特性

注：材料特性中屈服强度与抗拉强度均为设计温度下的材料特性参数。

1.3 飞轮设计准则

飞轮应力强度分析要求飞轮在额定转速工况、设计转速(125%额定转速)工况下具有足够的强度，飞轮额定转速为1500rpm，设计转速为1875rpm。设计准则如下：(1)额定转速下，飞轮一次应力不应超过最小屈服强度的1/3；(2)设计转速下，飞轮一次应力不应超过最小屈服强度的2/3。

2 飞轮应力分析

2.1 飞轮应力强度解析法分析

2.1.1 飞轮分析模型

飞轮应力强度解析法采用沿轴横截面建立的轴对称模型进行分析，r1，r2分别为轮毂的内外径；r3为钨合金块外径；r4为保持环外径；h为轮毂、钨合金块、保持环的轴向高度。

2.1.2 飞轮保持环应力强度解析分析

飞轮保持环采用热套的方式装配到钨合金块外侧，使得钨合金块形成均匀的圆环状，确保飞轮的结构完整。在飞轮高速旋转过程中，由钨合金块产生的离心力作用在保持环内径处，产生一次应力。

(1)

式中，σp—钨合金块离心力作用产生的一次薄膜应力，MPa；ρw—钨合金块的密度，g/cm3；w—旋转角速度，rad/s；g—重力加速度，m/s2。

同时由于保持环自身旋转产生了一次应力

(2)

式中，σθ—保持环自身旋转产生的环向应力，MPa；ρc—保持环的密度，g/cm3；v—材料泊松比。因此总的一次应力为上述应力之和，即

σhoop=σp+σθ

(3)

但是，考虑到工艺制造过程中飞轮整体结构的紧凑性及实际运行工况下对飞轮外侧屏蔽外套产生过大的应力，在保持环外圆边缘处进行加工以满足上述要求，见图3。

由于保持环外缘的加工，使得保持环有效厚度减小，按照模型中沿轴横截面的面积不变原则，确定保持环有效厚度减小量。

(4)

保持环有效厚度的减小导致保持环的应力对应增大，根据有效厚度的减小量，引入应力幅值增大因子。

(5)

因此，确定保持环最终的一次应力为

σhoop′=kσhoop

2.1.3 飞轮轮毂应力强度解析分析

飞轮轮毂的应力是由轮毂自身旋转引起的

(6)

式中，σh—轮毂自身旋转产生的环向应力，MPa；ρh—轮毂的密度，g/cm3；v—材料泊松比。

2.1.4 应力强度解析法分析结果

按照上述分析计算方法，对飞轮保持环及轮毂在额定转速及设计转速下的一次应力强度进行计算，结果见表2。

表2 飞轮一次应力解析分析结果

2.2 飞轮应力强度有限元法分析

2.2.1 飞轮有限元分析模型

利用ANSYS有限元软件对飞轮应力强度进行仿真计算分析，考虑到飞轮结构及其载荷的对称性，在建立模型过程中轴、轮毂、钨金块、保持环均取整体结构的1/12，分析时采用实体单元类型，同时进行环向位移约束，并对轴断面加以轴向约束，轴和轮毂、钨金块和保持环之间的接触面采用摩擦(Frictional)接触模拟热套配合，计算模型如图4所示。

2.2.2 飞轮保持环应力强度有限元分析

对飞轮保持环在额定转速及设计转速下的一次应力进行分析，如图5和图6所示。

2.2.3 飞轮轮毂应力强度有限元分析

对飞轮轮毂在额定转速及设计转速下的一次应力进行分析，如图7和图8所示。

2.2.4 应力强度有限元分析结果

利用有限元分析软件对飞轮保持环及轮毂在额定转速及设计转速下的一次应力强度进行计算，结果见表3。

表3 飞轮一次应力有限元分析结果

3 飞轮应力分析结果对比与评定

分别采用解析分析方法与有限元分析方法，计算了飞轮保持环与轮毂在额定转速及设计转速工况下的一次应力，并依据飞轮应力设计准则，对分析结果进行评定，结果证明飞轮一次应力均满足要求。同时对解析分析方法与有限元分析方法得到的结果进行了对比，结果基本一致，证明了两种方法的可行性。飞轮应力分析结果对比与评定见表4。

表4 飞轮应力分析结果对比与评定

单位：MPa

4 结语

本文应用解析分析方法及有限元分析方法，对额定转速及设计转速工况下飞轮的一次应力进行了计算分析，并对分析结果进行对比评定，得到以下结论。

(1)采用两种方法计算了飞轮保持环及轮毂在额定转速及设计转速下的一次应力，一次应力值均小于设计准则中的应力限值，满足应力强度要求。

(2)将解析法分析结果与有限元法分析结果对比，得出两种方法计算结果基本一致，证明飞轮一次应力分析结果是切实可行的。

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Large-Inertia Fly Wheel Technology of Reactor Coolant Pump of Nuclear Power Canned Motor

ChenGangandZhangGuibin

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

Because stress intensity of large-inertia fly wheel should meet safety requirement of reactor, the primary stresses of fly wheel at working conditions of rated speed and design speed are calculated and analyzed by analytical method and finite-element method, and analysis results are assessed. The results show that primary stress intensity of fly wheel has met requirements of specification. Analysis results of the two methods are in agreement, thus its reasonability and believability is proved.

Reactor coolant pump of canned motor；large inertia；fly wheel；primary stress

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.07

TM303

B

1008-7281(2016)05-0023-004

陈刚 男 1984年生；毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业，硕士，现从事特种电机设计开发工作.

2016-03-21