一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用反應(yīng)譜和流固耦合相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法，將地震力和流體激振力同時(shí)考慮，得到了余熱排出泵多工況下葉輪口環(huán)處和葉輪出口處定量的變形。通過地震反應(yīng)譜和瞬態(tài)流固耦合相結(jié)合的計(jì)算，采用考慮葉輪由于受到地震力和流體瞬態(tài)激振力影響的方法，得到余熱排出泵多工況下動(dòng)靜部件間變形的規(guī)律，以優(yōu)化余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙的設(shè)計(jì)。所述方法基于地震反應(yīng)譜分析和流體誘導(dǎo)振動(dòng)分析，使核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙設(shè)計(jì)更加合理，為離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為核電用離心泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路和方法。
【專利說明】一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核電用離心式余熱排出泵領(lǐng)域，尤其是一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)美國(guó)PDE數(shù)據(jù)庫(kù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球在近十年間共發(fā)生了 6級(jí)以上地震1062起，7級(jí)以上地震161起，8級(jí)以上地震19起。2011年3月14日，由于抗震能力設(shè)計(jì)不足，日本福島核電站面臨爆炸的危險(xiǎn)；2010年伊朗6.5級(jí)地震；2008年中國(guó)四川地震等。由于地震發(fā)生頻繁，人們逐漸意識(shí)到地震的巨大危險(xiǎn)，這些地震擺在工程人員面前，對(duì)我們的核電站抗震能力和地震反應(yīng)分析方法提出了更高要求。
[0003]核電是一種清潔能源，在一個(gè)逐漸強(qiáng)調(diào)全球變暖、氣候變化的大環(huán)境下，大力發(fā)展核能以滿足電力需求和環(huán)境要求，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，確保能源安全，已經(jīng)成為政府和社會(huì)各界的共識(shí)。余熱排出泵是核電站一回路余熱排出系統(tǒng)的重要組成部分，是最重要的核電二級(jí)設(shè)備之一。余熱排出泵及其部件要求保持承壓特性，完成充水，密封注水，高壓安全注水。余熱排出泵在核電站安全殼內(nèi)。在反應(yīng)堆正常停堆或事故停堆之后帶出余熱，以維持核電站安全運(yùn)行。余熱排出泵抗震要求為一級(jí)，有三個(gè)運(yùn)行工況，流體流動(dòng)對(duì)泵的結(jié)構(gòu)有重要的影響。
[0004]地震反應(yīng)研究主要是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)和橋梁而言，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的地震反應(yīng)分析較少。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的地震反應(yīng)分析中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)未被很好地考慮，轉(zhuǎn)子經(jīng)常被簡(jiǎn)化為桿結(jié)構(gòu)。定子部件傳遞給轉(zhuǎn)子部件的力未能很好的考慮?？紤]流體激振力的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的地震反應(yīng)分析基本沒有，只在容器和其它靜止機(jī)械中被考慮?？紤]流體激振力的地震反應(yīng)分析基本沒有?？拐鸱治龅暮诵脑谟诳紤]地震力作用下，動(dòng)靜部件之間是否存在干涉和摩擦，是否滿足設(shè)備的完整性和可運(yùn)行性。到目前為止，地震反應(yīng)分析均采用數(shù)值計(jì)算結(jié)合部分試驗(yàn)驗(yàn)證的方法。地震力的計(jì)算多采用反應(yīng)譜法，對(duì)在安全停堆地震期間的機(jī)械進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析，再進(jìn)行校核。而在現(xiàn)有的地震分析中沒有考慮流體激振力，也沒有將地震力和流體激振力作用下的變形來指導(dǎo)離心泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為核電用離心泵提供一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法基于地震反應(yīng)譜分析和流體誘導(dǎo)振動(dòng)分析，使核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙設(shè)計(jì)更加合理，為離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為核電用離心泵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路和方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008](I)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì):根據(jù)離心泵技術(shù)要求，初步設(shè)計(jì)離心泵的結(jié)構(gòu)；
[0009](2)計(jì)算模型確立:根據(jù)初步設(shè)計(jì)的所述排出泵的結(jié)構(gòu)及離心泵的安裝固定方案，利用有限元軟件建立所述離心泵動(dòng)靜部件有限元模型；
[0010](3)結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析:根據(jù)離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定離心泵在事故工況和安全停堆地震工況下的地震載荷，地震載荷作用在底板上，阻尼比是2%，標(biāo)高為4米，并以該地震載荷、所述余熱排出泵的材料屬性為輸入條件，通過有限元軟件對(duì)離心泵進(jìn)行地震作用前的預(yù)應(yīng)力分析，得到預(yù)應(yīng)力；
[0011](4)地震譜確定:根據(jù)樓層反應(yīng)譜，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜；
[0012](5)模型強(qiáng)度分析:通過有限元軟件，將預(yù)應(yīng)力作為初始條件，以擬合的人工地震波作為地震荷載，經(jīng)過地震反應(yīng)計(jì)算得出離心泵的動(dòng)部件在地震荷載作用下的變形量；
[0013](6)對(duì)離心泵流體域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)建模，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的流場(chǎng)計(jì)算，并進(jìn)行外特性試驗(yàn)驗(yàn)證；
[0014](7)對(duì)動(dòng)部件采用流固耦合的方法進(jìn)行流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)計(jì)算，得到動(dòng)部件受流體激振力作用產(chǎn)生的變形量；
[0015](8)組合所述動(dòng)部件在地震荷載作用下的變形量和動(dòng)部件流固耦合計(jì)算結(jié)果，得到離心泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形量；
[0016](9)根據(jù)離心泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形，并根據(jù)核電抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，得出動(dòng)靜部件間隙的最小值；
[0017](10)動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì):通過抗震性能評(píng)估校核動(dòng)靜部件間隙是否滿足抗震性能，并修正原始動(dòng)靜部件間隙結(jié)果；
[0018](11)當(dāng)通過步驟(10)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，動(dòng)靜部件間隙滿足抗震性能的可靠度要求后，制造實(shí)物樣機(jī)；
[0019](12)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)核電用余熱排出泵樣機(jī)在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)變形量與離心泵在步驟(8)得到的相對(duì)變形量之間的誤差在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟(I)中所建立的有限元模型為三維模型。
[0021]優(yōu)選地，所述步驟(2)中還包括通過有限元軟件和計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)核電用余熱排出泵的幾何模型簡(jiǎn)化的過程。
[0022]優(yōu)選地，所述步驟(3)中所述的地震載荷包括離心泵的重力載荷、正常運(yùn)行載荷、最大管道載荷的大小和施加方案。
[0023]優(yōu)選地,所述步驟(4)中通過Matlab或Labview擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜。
[0024]優(yōu)選地,步驟(12)中所述的允許誤差范圍是< 15%。
[0025]本發(fā)明更真實(shí)的模擬出核電用余熱排出泵在SSE地震載荷作用下的運(yùn)行情況，讓核電用余熱排出泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足抗震要求反應(yīng)譜的強(qiáng)度要求，并考慮流體激振力的影響，利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以減少實(shí)物樣機(jī)的抗震試驗(yàn)次數(shù)，從而可以縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，讓核電用余熱排出泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，并且能夠進(jìn)行量化控制。
[0026]本發(fā)明采用反應(yīng)譜和流固耦合相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法，將地震力和流體激振力同時(shí)考慮，得到了余熱排出泵多工況下葉輪口環(huán)處和葉輪出口處定量的變形。通過地震反應(yīng)譜和瞬態(tài)流固耦合相結(jié)合的計(jì)算，采用考慮葉輪由于受到地震力和流體瞬態(tài)激振力影響的方法，得到余熱排出泵多工況下動(dòng)靜部件間變形的規(guī)律，以優(yōu)化余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙的設(shè)計(jì)。本發(fā)明考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械受到的地震力和流體作用力來優(yōu)化離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有創(chuàng)新性和可操作性。本發(fā)明可以應(yīng)用于所有核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其具有研發(fā)效率高、研發(fā)成本低和適用范圍廣的特點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明所述離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的流程圖。
[0028]圖2為所述核電站對(duì)余熱排出泵的三維模型。
[0029]圖3為所述核電站對(duì)余熱排出泵動(dòng)靜部件之間間隙的局部放大圖。
[0030]圖4為建立所述計(jì)算模型的流程圖。
[0031]圖5為地震水平樓層加速度譜。
[0032]圖6為地震豎直樓層加速度譜。
[0033]圖7為余熱排出泵流體計(jì)算域的網(wǎng)格示意圖。
[0034]圖8為所述葉輪口環(huán)和葉輪出口處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖。
[0035]圖9為地震力和流體激振力共同作用引起的變形圖。
[0036]附圖標(biāo)記說明如下:
[0037]1-進(jìn)口法蘭，2-蝸殼，3-出口法蘭，4-葉輪，5-導(dǎo)葉，6-軸承箱，7_底座，8_后蓋板，9-前蓋板。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。
[0039]本發(fā)明考察離心泵在安全停堆地震作用下能否保持可運(yùn)行性，即轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間的相對(duì)變形小于它們之間的間隙，從而不影響離心泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為優(yōu)化核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙的設(shè)計(jì)提供新的思路。以某型核電用余熱排出泵為例，具體說明本發(fā)明所述基于地震力和流體激振力的核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟:
[0040]步驟一、結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì):
[0041]根據(jù)核電站相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)核電用余熱排出泵初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
[0042]根據(jù)核電站對(duì)余熱排出泵的功能要求，設(shè)計(jì)核電用余熱排出本泵。本發(fā)明采用一水平臥式余熱排出泵，其三維模型如圖2所示，模型主要由定子部件、轉(zhuǎn)子部件和支架組成。流量Qd=WOmV1,揚(yáng)程Hdes=77m，轉(zhuǎn)速nd=1490rpm，入口直徑Ds=270mm，葉輪4出口直徑D2=513mm，葉片出口寬度b2=49mm。導(dǎo)葉5用來使流動(dòng)更均勻。蝸殼2為環(huán)形蝸殼，使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。軸承箱6作為熱屏蔽裝置，使電機(jī)與泵腔中流體傳遞的熱量隔離。進(jìn)口法蘭I用于連接進(jìn)口管，出口法蘭3用于連接出口管。當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，動(dòng)子和轉(zhuǎn)子之間的變形應(yīng)該比間隙小。如圖3所示，余熱排出泵動(dòng)子和轉(zhuǎn)子之間的間隙主要位于葉輪4、導(dǎo)葉5之間，以及葉輪4 口環(huán)處，葉輪4 口環(huán)單邊間隙為0.3mm,當(dāng)發(fā)生流體湍動(dòng)時(shí)，葉輪4 口環(huán)處摩擦是允許的，葉輪4和導(dǎo)葉5單邊間隙是2mm，該間隙需要嚴(yán)格保證。
[0043]步驟二、計(jì)算模型確立:
[0044]如圖4所示，根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果及核電用余熱排出泵的安裝固定方案，利用有限元理論和計(jì)算流體力學(xué)理論建立核電用余熱排出泵的有限元模型，并通過有限元軟件和計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)核電用余熱排出泵的幾何模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本實(shí)施例采用全三維結(jié)構(gòu)，對(duì)余熱排出泵轉(zhuǎn)子部件、定子部件、支架及底座7三部分進(jìn)行有限元建模，以達(dá)到最大準(zhǔn)確度的目的。
[0045]步驟三、結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析:
[0046]根據(jù)核電用余熱排出泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定核電用余熱排出泵在事故工況和安全停堆地震工況下的地震載荷，并以該地震載荷、所述余熱排出泵的材料屬性為輸入條件，通過有限元軟件對(duì)核電用余熱排出泵進(jìn)行地震作用前的預(yù)應(yīng)力分析，得到預(yù)應(yīng)力。
[0047]對(duì)于余熱排出泵事故工況和安全停堆地震工況下的地震載荷輸入條件:核電用余熱排出泵的重力載荷、正常運(yùn)行載荷、最大管道載荷的大小和施加方案。
[0048]地震載荷作用在底板上，阻尼比是2%，標(biāo)高為4米，零周期加速度反應(yīng)譜是1/2SSE。水平和豎直變形通過水平和豎直反應(yīng)譜分析獲得。正常運(yùn)行載荷是作用在泵內(nèi)壁的設(shè)計(jì)壓力載荷，其不能小于泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)最大吸入壓力和進(jìn)出口的最大壓力降。管道載荷選取為事故工況下的管道載荷。重力載荷是作用在每個(gè)單元的集中重量力，其包括結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流體的重力。
[0049]材料屬性設(shè)置根據(jù)法國(guó)壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則RCC-M(2000版)中
相關(guān)規(guī)定。
[0050]步驟四、地震譜確定:
[0051]根據(jù)核電站提供的樓層反應(yīng)譜，利用計(jì)算機(jī)通過Matlab或Labview編程語言，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜。
[0052]考慮到核電用余熱排出泵整體的彈塑性質(zhì)，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震分析，需要確定輸入地震波。
[0053]步驟五、模型強(qiáng)度分析:
[0054]通過有限元軟件，將預(yù)應(yīng)力作為初始條件，以擬合的人工地震波作為地震荷載，經(jīng)過地震反應(yīng)計(jì)算輸出核電用余熱排出泵的動(dòng)部件在地震荷載作用下的變形量。
[0055]地震反應(yīng)計(jì)算基于極端事故工況載荷(簡(jiǎn)稱SSE地震載荷)和地震載荷,地震力作用下，余熱排出泵動(dòng)設(shè)備的最大變形通過平方和開平方法(SRSS)，疊加垂直軸的平面內(nèi)的兩個(gè)正交方向的變形。
[0056]SRSS方法基于隨機(jī)事件的統(tǒng)計(jì)，相關(guān)數(shù)據(jù)需要完全獨(dú)立，不含耦合關(guān)系。水平樓層和豎直樓層加速度反應(yīng)譜施加在整體結(jié)構(gòu)上，如圖5和圖6所示，地震水平樓層加速度譜和地震豎直樓層加速度譜可以認(rèn)為是獨(dú)立的，因此SRSS方法被用來分析地震力作用下，垂直軸的平面內(nèi)的變形。
[0057]SSE地震載荷下的最大反應(yīng)譜分析根據(jù)RCC-M標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算和評(píng)估。通過最大反應(yīng)譜分析，得到在地震載荷作用下，葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口的水平和豎直方向上的變形，再通過SRSS方法將水平和豎直兩方向變形疊加，得到垂直軸的平面內(nèi)，葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口的總變形。
[0058]步驟六、對(duì)離心泵流體域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)建模，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的流場(chǎng)計(jì)算，并進(jìn)行外特性試驗(yàn)驗(yàn)證。
[0059]基于部分試驗(yàn)驗(yàn)證，地震反應(yīng)分析結(jié)果更精確。本發(fā)明考慮了流體激振力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法。性能曲線和內(nèi)部流動(dòng)通過建立計(jì)算域、建立控制方程、湍流模型選取、邊界層選取獲得。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果會(huì)更可信，其可作為后續(xù)模擬的基礎(chǔ)。當(dāng)試驗(yàn)和模擬值間誤差在5%以內(nèi)，可說明模擬結(jié)果是可信的。
[0060]步驟七、對(duì)動(dòng)部件采用流固耦合的方法進(jìn)行流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)分析，得到動(dòng)部件受流體激振力作用產(chǎn)生的在地震荷載作用下的變形量。
[0061]考慮流體激振力的變形通過流固耦合的方法分析。為了解決流固耦合問題，需同時(shí)求解結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程，納維斯托克斯方程和連續(xù)性方程。本發(fā)明采用ANSYS CFX14.5模擬三維瞬態(tài)流場(chǎng)，采用ANSYS Workbenchl4.5模擬結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力特性。在ANSYS中劃分網(wǎng)格，如圖7所示。
[0062]葉片表面和后蓋板8和前蓋板9表面設(shè)置為流體域和結(jié)構(gòu)域之間的計(jì)算耦合面。在轉(zhuǎn)子的固體域，固定約束施加在轉(zhuǎn)子與軸承接觸的表面。熱應(yīng)力施加到轉(zhuǎn)子上以考慮溫度的影響。在流體域，使用了多場(chǎng)求解方式來即時(shí)傳遞流體域和結(jié)構(gòu)域之間的信息；進(jìn)口條件設(shè)置為總壓，出口條件設(shè)置為質(zhì)量流量出口。
[0063]為得到葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口因流體激振力引起的變形，在葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口設(shè)置了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖8所示，以葉輪4后蓋板8和前蓋板9上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)葉輪4的位置為參考，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)等效到一個(gè)流道中，可以得到單流道的等效流道測(cè)點(diǎn)。通過葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口監(jiān)測(cè)點(diǎn)模擬的位移值，可以得到葉輪4 口環(huán)和葉輪4出口收流體激振力作用的位移值。
[0064]步驟八、組合地震載荷和流固耦合計(jì)算結(jié)果，得到核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形。
[0065]設(shè)備的最大地震反應(yīng)通過疊加地震力作用下的變形和流體激振力作用下的變形量。由地震力引起的變形量和由流體激振力引起的變形量的性質(zhì)有很大不同，可以認(rèn)為是相互獨(dú)立的。為了保守的分析，由地震載荷和流體激振力引起的變形，通過數(shù)值合成而不考慮變形的方向。
[0066]由地震力和流體激振力共同作用引起的變形如圖9所示，這些變形量隨時(shí)間不斷變化。由此可得到核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形。
[0067]步驟九、根據(jù)核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形，并根據(jù)核電抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，得出動(dòng)靜部件間隙的最小值。
[0068]從圖9中可得出核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件應(yīng)滿足的最小計(jì)算值。
[0069]根據(jù)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)RCC-M2000和ASMEIII標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，分別制定核電用余熱排出泵各部件抗震性能的評(píng)定準(zhǔn)則，并根據(jù)該評(píng)定準(zhǔn)則對(duì)核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行抗震性能評(píng)估。
[0070]其中，RCC-M2000為法國(guó)核島設(shè)計(jì)、建造及在役檢查規(guī)則協(xié)會(huì)出版的核電技術(shù)規(guī)范《壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則》，涉及壓水堆核島機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、材料、檢驗(yàn)、焊接和制造等方面?？傻玫胶穗娪糜酂崤懦霰脛?dòng)靜部件間隙應(yīng)滿足的最小值。ASME為美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì);ASME III是指ASME頒布的《核設(shè)施部件建造規(guī)則》。所謂分別制定核電用余熱排出泵各部件抗震性能的評(píng)定準(zhǔn)則是指從標(biāo)準(zhǔn)中選出合適的內(nèi)容。
[0071]步驟十、動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì):通過抗震性能評(píng)估校核核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙是否滿足抗震性能，并對(duì)原始動(dòng)靜部件間隙進(jìn)行修正。[0072]當(dāng)進(jìn)行抗震性能評(píng)估時(shí)，當(dāng)步驟九得到的動(dòng)靜部件間隙最小值小于原始動(dòng)靜部件間隙設(shè)計(jì)值，即不滿足抗震性能要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)修正動(dòng)靜部件間隙設(shè)計(jì)值結(jié)果，保證動(dòng)靜部件間隙設(shè)計(jì)值至少大于步驟九得到的動(dòng)靜部件間隙最小值。
[0073]步驟十一、當(dāng)通過步驟十進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，動(dòng)靜部件間隙滿足抗震性能的可靠度要求時(shí)，結(jié)束分析，制造樣機(jī)。
[0074]當(dāng)核電用余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙抗震性能完全符合相關(guān)要求時(shí)，開始制造實(shí)物樣機(jī),并到抗震臺(tái)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)。
[0075]步驟十二、抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)核電用余熱排出泵在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中得到的實(shí)測(cè)值與核電用余熱排出泵在步驟八得到的理論計(jì)算值之間的誤差小于等于相關(guān)核電規(guī)范允許值范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)，計(jì)算方法運(yùn)用于其它核電用離心泵。
[0076]本實(shí)施例中的允許范圍< 15%，即:核電用余熱排出泵的轉(zhuǎn)子計(jì)算模型的最大變形與核電用余熱排出泵在抗震驗(yàn)證中得到的最大變形的測(cè)量值之間的差的絕對(duì)值，與核電用余熱排出泵在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中得到的最大變形的測(cè)量值的商< 15%?？紤]到偏差，認(rèn)為能夠?qū)⒗碚撚?jì)算結(jié)果誤差控制在試驗(yàn)結(jié)果的15%內(nèi)，就已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)好的仿真效果。
[0077]上述的偏差一般是指:實(shí)際產(chǎn)品的加工偏差，裝配時(shí)的松緊偏差，材料的性能偏差
坐坐寸寸ο
[0078]當(dāng)核電用余熱排出泵在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中的位移測(cè)量值與核電用余熱排出泵在理論計(jì)算結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)時(shí)，表明計(jì)算方法正確，計(jì)算結(jié)果可靠，產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以大批量投入生產(chǎn)。
[0079]對(duì)于未經(jīng)過模擬而直接拿實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，假定第一次試驗(yàn)結(jié)果強(qiáng)度不夠，需要重新設(shè)計(jì)，直到第N次抗震試驗(yàn)通過，最后得到合適的核電用余熱排出泵的時(shí)間為:
[0080]總時(shí)間=1次初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+ (N-1)次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修整時(shí)間+N個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期(包括材料準(zhǔn)備)+N次抗震驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間；
[0081]總成本=總時(shí)間單位時(shí)間人員成本+N次材料成本+N次生產(chǎn)加工成本+N次抗震試驗(yàn)費(fèi)用；
[0082]對(duì)于經(jīng)過模擬后再拿實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，最后得到合適的核電用余熱排出泵的時(shí)間為:
[0083]總時(shí)間=1次初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)+1次虛擬樣機(jī)仿真時(shí)間+1次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修整時(shí)間+1個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期(包括材料準(zhǔn)備)+1次抗震驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間；
[0084]總成本=總時(shí)間單位時(shí)間人員成本+1次材料成本+1次產(chǎn)品生產(chǎn)成本+1次抗震
試驗(yàn)費(fèi)用。
[0085]具體來說，對(duì)于核電用余熱排出泵，都經(jīng)過相同次數(shù)的試驗(yàn):一個(gè)是理論試驗(yàn)，另一個(gè)是抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，有:1次初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間為20天，I個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期為50天，I次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修整時(shí)間為3天，虛擬樣機(jī)仿真時(shí)間為5天，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)修整時(shí)間時(shí)僅僅對(duì)建好的模型的動(dòng)靜部件間隙及其相關(guān)部件做修改就可以，每次抗震驗(yàn)證試驗(yàn)時(shí)間為10天。
[0086]如果第2次合格，那么，對(duì)于未經(jīng)過模擬而直接拿實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)的總時(shí)間=133天，對(duì)于經(jīng)過模擬后再拿實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)的總時(shí)間=88天。
[0087]由此可以看出，在達(dá)到同樣合格的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有核電用余熱排出泵的研發(fā)效率高和研發(fā)成本低的優(yōu)勢(shì)。
[0088]本發(fā)明更真實(shí)的模擬出核電用余熱排出泵在SSE地震載荷作用下的運(yùn)行情況，讓核電用余熱排出泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能滿足抗震要求反應(yīng)譜的強(qiáng)度要求，并考慮流體激振力的影響，利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以減少實(shí)物樣機(jī)的抗震試驗(yàn)次數(shù)，從而可以縮短研發(fā)周期、降低研發(fā)成本，讓核電用余熱排出泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，并且能夠進(jìn)行量化控制。
[0089]本發(fā)明采用抗震反應(yīng)譜和流固耦合相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法，將地震力和流體激振力同時(shí)考慮，得到了余熱排出泵多工況下葉輪4 口環(huán)處和葉輪4出口處定量的變形。通過地震反應(yīng)譜和瞬態(tài)流固耦合相結(jié)合的計(jì)算，采用考慮葉輪4由于受到地震力和流體瞬態(tài)激振力影響的方法，得到余熱排出泵多工況下動(dòng)靜部件間變形的規(guī)律，以優(yōu)化余熱排出泵動(dòng)靜部件間隙的設(shè)計(jì)。本發(fā)明考慮旋轉(zhuǎn)機(jī)械受到的地震力和流體作用力來優(yōu)化離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有創(chuàng)新性和可操作性。本發(fā)明可以應(yīng)用于所有核電用離心泵動(dòng)靜部件間隙的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其具有研發(fā)效率高、研發(fā)成本低和適用范圍廣的特點(diǎn)。
[0090]所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì):根據(jù)離心泵技術(shù)要求，初步設(shè)計(jì)離心泵的結(jié)構(gòu)； (2)計(jì)算模型確立:根據(jù)初步設(shè)計(jì)的所述排出泵的結(jié)構(gòu)及離心泵的安裝固定方案，利用有限元軟件建立所述離心泵動(dòng)靜部件有限元模型； (3)結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析:根據(jù)離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定離心泵在事故工況和安全停堆地震工況下的地震載荷，地震載荷作用在底板上，阻尼比是2%，標(biāo)高為4米，并以該地震載荷、所述余熱排出泵的材料屬性為輸入條件，通過有限元軟件對(duì)離心泵進(jìn)行地震作用前的預(yù)應(yīng)力分析，得到預(yù)應(yīng)力； (4)地震譜確定:根據(jù)樓層反應(yīng)譜，擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜； (5)模型強(qiáng)度分析:通過有限元軟件，將預(yù)應(yīng)力作為初始條件，以擬合的人工地震波作為地震荷載，經(jīng)過地震反應(yīng)計(jì)算得出離心泵的動(dòng)部件在地震荷載作用下的變形量； (6)對(duì)離心泵流體域進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)(CFD)建模，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的流場(chǎng)計(jì)算，并進(jìn)行外特性試驗(yàn)驗(yàn)證； (7)對(duì)動(dòng)部件采用流固耦合的方法進(jìn)行流動(dòng)誘導(dǎo)振動(dòng)計(jì)算，得到動(dòng)部件受流體激振力作用產(chǎn)生的變形量； (8)組合所述動(dòng)部件在地震荷載作用下的變形量和動(dòng)部件流固耦合計(jì)算結(jié)果，得到離心泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形量； (9)根據(jù)離心泵動(dòng)靜部件的相對(duì)變形，并根據(jù)核電抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，得出動(dòng)靜部件間隙的最小值； (10)動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì):通過抗震性能評(píng)估校核動(dòng)靜部件間隙是否滿足抗震性能，并修正原始動(dòng)靜部件間隙結(jié)果； (11)當(dāng)通過步驟(10)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，動(dòng)靜部件間隙滿足抗震性能的可靠度要求后，制造實(shí)物樣機(jī)； (12)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行抗震驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)核電用余熱排出泵樣機(jī)在抗震驗(yàn)證試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)變形量與離心泵在步驟(8)得到的相對(duì)變形量之間的誤差在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(O中所建立的有限元模型為三維模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中還包括通過有限元軟件和計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)核電用余熱排出泵的幾何模型簡(jiǎn)化的過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(3)中所述的地震載荷包括離心泵的重力載荷、正常運(yùn)行載荷、最大管道載荷的大小和施加方案。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中通過Matlab或Labview擬合出人工地震波及人工地震波反應(yīng)譜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離心泵動(dòng)靜部件間隙優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(12)中所述的允許誤差范圍是< 15%。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104008227SQ201410159183
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】鄧鑫, 袁壽其, 袁建平, 裴吉, 司喬瑞, 李亞林 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)