（化工过程机械专业论文）核电用消防水泵的抗震安全及内流场分析.pdf

摘要 核电用消防水泵的抗震安全及内流场分析 摘要 随着石化、核电等工业的发展，大型设备、管道和精密装置逐渐得到 使用，它们的抗地震性能也越来越受到重视，人们要求其在使用期间甚至 包括地震期间也能够正常运转。因此，如何定量地分析它们在地震条件下 的响应，确定其在地震时的运动情况、变形情况和受力情况，就成为抗震 分析所要解决的主要问题。本文以单级单吸式核电厂用消防水泵为研究对 象，采用有限元技术，对其进行抗震安全及内流场分析。 本文通过有限元软件a n s y s 建立了某核电用消防水泵机组的抗震有 限元模型。分析首先采用地震频谱法计算出水泵在三维s s e 地震载荷作 用下的响应，其次计算水泵在静载荷作用下的响应，然后将这两种工况下 的计算结果叠加就得到水泵在三维s s e 地震事故工况下的各种响应。根 据这些响应结果，考察了口环径向间隙的变化量、螺栓及螺柱的受力、法 兰密封、轴承载荷、泵壳强度及转子轴强度、结果发现它们均满足相应的 要求，即该水泵在s s e 地震事故工况下能够保证结构的整体性、密封性 和可运行性。本文还考察了静载荷和地震载荷对泵机组作用所占份额的大 小。 本文采用f l u e n t 软件，运用s i m p l e c 算法及标准k s 湍流模型对 消防水泵内三维流场进行了数值模拟。分析时，将消防离心水泵的叶轮和 泵体作为一个整体，并考虑流体的不可压缩性、粘性和湍流流动性。研究 结果揭示了泵内流道的压力及速度分布规律，并表明泵体的非对称结构、 北京化工大学硕士学侮论文 以及叶轮、泵壳间的小间隙等因素导致了内流场的非对称性。该研究为消 防泵的性能预测、水力设计及优化设计提供了计算参考。 关键词：核电用消防水泵，频谱分析法，地震响应，有限元数值分析，内流 场 a b s t r a c t s e i s m i ca n df l o wa n a l y s i s0 n n u c l e a rf i r ep u m p a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp e t r o c h e m i c a l ，n u c l e a rp o w e ra n do t h e r i n d u s t r i a l ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np u to nt h ea n t i s e i s mi c p e r f o r m a n c eo fl a r g e s c a l ee q u i p m e n t ，p i p e l i n e sa n dt h ep r e c i s i o nd e v i c e s ， w h i c ha r eg r a d u a l l yu s e d i ti sr e q u i r e dt ob ea b l et oo p e r a t en o r m a l l yi nt h e u s e e v e nd u r i n gt h ep e r i o do fe a r t h q u a k e t h e r e f o r e ，h o wt oc o n d u c tr e s e a r c h o nt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e i rr e s p o n s et os e i s m i cc o n d i t i o n s ，i t s m o v e m e n t , t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s si nt h ee a r t h q u a k eh a sb e c o m et h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e mt ob es o l v e d i na n t i s e i s m i ca n a l y s i s i nt h i sp a p e r , a s i n g l e - s t a g es u c t i o nn u c l e a rf i r ep u m pw a su s e da sas u b j e c t b yu s i n gf i n i t e e l e m e n tt e c h n o l o g y , t h ea n t i s e i s m i c s a f e t y a n di n t e r n a lf l o wf i e l dw a s a n a l y z e d i nt h i sp a p e r , an u c l e a rp o w e rf i r ep u m pm o d e lw a sb u i l tu pb yu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o no na n s y ss o f t w a r e f i r s to fa l l ，t h em e t h o do f s e i s m i cs p e c t r u mw a su s e dt oc a l c u l a t ei t sr e s p o n s e so n3 一ds s es e i s m i c a c c i d e n tc a s e s e c o n d l y , c a l c u l a t et h er e s p o n s e so ft h ef i r ep u m pu n d e rs t a t i c l o a d t h e nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so ft h e s et w oc a s e sw e r es u p e r i m p o s e da n d t h ev a r i o u sr e s p o n s e so nt h e3 - ds s es e i s m i ca c c i d e n tc a s ew e r eo b t a i n e d 北京化上大学硕上学位论文 a c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，t h ea m o u n to fc h a n g e so fr a d i a lc l e a r a n c eb e t w e e n v a n ea n di t sc o v e r , t h el o a d so fb o l to rs t u d ，t h es e a l i n go ff l a n g e ，t h el o a d so f b e a r i n g ，t h es t r e n g t ho f s h e l la n dr o t o ra x i sw e r ee x a mi n e d t h er e s u l t ss h o w t h a ta l lo ft h e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t ，n a m e l y ，t h ee n t i r e t y ，t i g h t n e s sa n d o p e r a t i o nc a nb ee n s u r e do ns s es e i s m i ca c c i d e n tc a s e t h ep r o p o r t i o n so f r e s p o n s ea p p l i e do nt h ep u m pu n i t sd u et ot h es t a t i cl o a da n ds e i s m i cl o a dw a s a l s oi n v e s t i g a t e d i nt h i sp a p e r , f l u e n ts o f t w a r e ，t o g e t h e rw i t hs i m p l e ca l g o r i t h ma n d k - es t a n d a r dt u r b u l e n c em o d e la r ea p p l i e dt os i m u l a t et h e3 一di n t e r n a lf l o w f i e l do ft h ef i r ep u m p d u r i n gt h ea n a l y s i s ，t h ei m p e l l e ra n dt h ep u m pb o d yo f t h e c e n t r i f u g a lp u m pa r e t r e a t e da saw h o l e ；a n dt h et h r e e - d i m e n s i o n a l i n c o m p r e s s i b l e ，t h ev i s c o u sa n d t h et u r b u l e n tp r o p e r t i e so ft h ef l u i da r e c o n s i d e r e d t h er e s u l t ss h o wt h er e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o no ft h ep r e s s u r ea n d v e l o c i t yi nt h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h ep u m p t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h e n o n s y m m e t r yo ft h ei n t e m a lf l o wf i e l di sc a u s e db yt h en o n - - s y m m e t r i c a l s t r u c t u r e ，t h ev a l u eo ft h eg a pb e t w e e ni m p e l l e ra n dt h ep u m ps h e l la n ds oo n t h i s s t u d y c a nb eu s e da sar e f e r e n c ef o rt h ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o n ， h y d r a u l i cd e s i g na n do p t i m u md e s i g no ft h ef i r ep u m p k e yw o r d s ：n u c l e a rp o w e rf i r ep u m p ，a n a l y t i cm e t h o do fs e i s m i c s p e c t r u m ，s e i s m i cr e s p o n s e ，f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i s ，i n t e r n a lf l o w f i e l d i v 符号说明 符号说明 螺栓根径处的横截面积，m 2 法兰密封面的有效宽度，m 密封垫片的内直径，m 法兰密封面的有效直径，m 正常速度，m s j 异常速度，m s 。1 事故速度，m - s 。 不平衡离心力，n 是被螺栓连接的两部件接触表面间的静摩擦系数 螺栓预紧轴向力，n 为密封面上轴向力，n 密封面上的轴向接管载荷，n 第i 个螺栓考虑螺栓预紧效应的地震事故工况下最小螺栓轴向力，n 不平衡质量，蚝 为密封面上的总弯矩，n m 地震总弯矩，n m 正常工况的接管载荷 电机转速，r p m 该法兰接头中的螺栓个数 运行基准地震载荷 泵的设计功率，k w 法兰密封面上的当量压力，m p a 工作内压，m p a 密封面上轴向力f z 引起的当量压力，m p a 密封面上弯矩m 引起的当量压力，m p a x i i i 梳 咄跳 甩 队 f 阳r m m 舭 n n 啷 p 心砷 北京化工大学硕士学位论文 r s s e s t u x 、u y 、u z u x s s e u r - s s e a u r s s e u x s s e v n y z p a x 、y 、z o m ( o m + o b ) ( 6 一) 6 p 】 g 】b 叶轮的外半径，m 安全停堆地震载荷 材料在设计温度下的许用应力强度，m p a 液体作用在转子上的扭矩，n m x 、y 、z 方向的位移，m 三维s s e 地震载荷下的叶轮口环边缘处的x 方向的位移，m 三维s s e 地震过程中，叶轮口环边缘处的最大径向位移，m 三维s s e 地震载荷下叶轮口环处最大径向位移引起的泵体口环与叶 轮口环之间的径向间隙变化量，m 三维s s e 地震载荷下的叶轮口环边缘处的x 方向的位移，m 泵的额定速度，m s 1 计算间隙值，m x 、y 、z 水平方向的最大地震响应加速度，m ，s 2 路径上绝对值最大的一次薄膜主应力计算值，m p a 薄膜应力+ 弯曲应力，m p a 实际间隙值，m 原始间隙值，m 制造安装造成的间隙公差，m 叶轮角速度，r a d s 以 圆轴扭转时材料的扭转许用切应力，m p a 螺栓的许用应力，m p a x i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：狸壶车塾 日期： 逻呈：笸：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年解密后适用本 授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 作者签名：煎盘圭丝 导师签名： 日期：群：笸：z 一 日期：上学丛一 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 课题来源：埘某核电厂用消防水泵的设计及校核项目。 本课题研究的是某核电厂用消防水泵的抗震安全性能及内流场的分布情况。随着 石化、核电等工业的发展，大型设备、管道和精密装置逐渐被使用，它们的抗地震性 能也越来越受到重视，人们要求其在使用期间甚至包括地震期间也能够正常运转。因 此，如何定量地分析它们在地震条件下的响应，确定其在地震时的运动情况、变形情 况和应力情况，就成为抗震分析所要解决的主要问题。而核电用消防水泵是核电厂的 一级抗震设备，其抗震性能的好坏直接影响着整个核电厂的安全运行。同时使用数值 模拟方法将改变传统的水力设计方法，对泵内流场进行模拟和分析并有利于对其结构 的优化，极大地缩短消防水泵的开发周期，显著地提高消防水泵的设计质量。 1 2 核电用消防水泵的抗震分析概述 地震对于人类的严重危害是人所皆知的，现在人们对付地震这种自然灾害仍处在 预防阶段【1 】，而核电厂由于含有放射性物质，一旦发生地震，如果不能确保与核安全 有关的厂房设备等物项的完整性和安全性，后果将不堪设想，因此抗震技术对核电厂 设计的重要性是不言而喻的【2 】。核电是目前世界上日益受到重视的能源，核电厂的设 计已日臻成熟和完善，但是核电厂安全的重要性仍是不容忽视的。核电厂事故危害性 巨大，为了避免放射性灾害，在规划设计阶段就要考虑各种可能发生的事故，并采取 明确的保护措施。核电厂抗震设计既要保证结构安全又要保证机电设备和仪器的安全 运行。对于核电厂，凡是与核扩散有关的结构物、设备都要求只出现弹性变形或较小 的非弹性变形，并且还要保证机电设备及仪器的安全运转( 在o b e 下) ，保证与安全 停堆有关的设备与仪器安全运转( 在s s et ) t 3 1 。 1 2 1 消防水泵类型 随着国民经济的发展，人们对消防愈来愈重视，对消防的要求也愈来愈高。 由 于火灾时灭火流量是由火灾情况而定，时大时小，因此一般选用流量扬程曲线比较平 缓的水泵作为消防水泵。目前国内用于消防加压的水泵主要有如下几种类型：i s 型单 北京化工大学硕上学位论文 级单吸离心泵、分段式多级离心泵( 如d a i 、d l 、t s w 等) 、m p ( m p v ) 型多级多出口 消带泵、x d ( x b d ) 型多级离心消防泵以及变频调速泵。i s 型单级单吸离心泵其性能 曲线呈驼峰形，曲缆也较陡，但在多层建筑消防给水系统中较多见【4 】。 洪峰、王绍【6 1 博进行了核电厂设备( i s 型单级单吸清水离心泵) 的动力特性测试和 振动台试验使用自由振动衰减法、白噪声澈振法和半功率点法分别测出了水泵在三个 方向上的自振频牢和阻尼比，给出了楼板加建度时程的模拟方法。根据本论文给出的 模拟方法和楼板反应谱，模拟了楼板加速度时程，并进行了水泵的振动台试验。振动 台试验足在水泵工作状态下进行的【5 1 。i s 型单级单吸清水离心泵具有较高的抗震能力， 在x 方向台面加速度达0 2 6 5 5 9 和z 方向台面加速度达0 2 3 9 1 9 时，该设备仍能正常 工作。 1 2 2 核电用消防水泵抗震指标 核电泵与普通泵的最大区别在于强调压力边界的完整性和在特殊工况卜的可运 行性，对泵的可靠性和安全性提出了更高的要求。核电泵应通过设计、分析和鉴定来 证明其在地震及其他载荷的共同作用下，结构的完整性和可运行性。本论文献介绍了 不同用途和安全级别的核电泵的抗震要求。 抗震等级：反应堆内核安全l 、2 、3 级机械设备以及l e 级电气设备均要达到抗 震i 类要求，其他设备为非i 类抗震。 抗震分析的判定：1 结构完成性；2 可运行性f 7 】。 1 2 3 系统地震响应分析方法 系统地震响应分析的发展过程经历了静力法、反应谱法、动力法( 时程分析法) 和 随机振动法四个阶段。静力法就是假设结构为绝对刚体，地震时各部分的加速度与地 面一样，取其最大值用于结构抗震设计；反应谱法就将是模态分析的结果与一已知谱 联系起来计算系统的位移和应力：动力法是将分析系统理想化，然后求解系统对某一 地震时程记录的动力响应。静力法完全忽略了系统的变形，没有考虑系统的动力特性， 与实际的情况不相符合，误差比较大。反应谱法可以代替时程分析，主要用于确定结 构对随机载荷或随时间变化载荷( 如地震、风载、海浪等) 的动力响应【2 1 。对于地面运 动随时间和空间变化的大跨度结构，研究其多点激励地震响应的方法主要有3 种，即 时程分析法、随机振动法和反应谱法1 引。 1 2 3 1 静力法 2 第一章绪论 若认为设备是刚性的，则可用静态地震分析来确定在地震动载荷作用下设备的虑 力和变形。动载荷为机组质量乘以最大地而加速度( 或从响应谱中得到零周期加速度) ， 作用在机组的重心e ，再将各个加速度下的应力平方和开平方，就得到总的动应力， 总弯曲的计算法相同f7 | 。往往实际工程项目中更多的使用的是静力法进行地震响应分 析。以下几篇文献都是利用静力法进行计算的。 静力法技术提供了在这一个宝贵的情况和经济合理的替代办法。介绍了应用的准 静态“修改负荷系数法”，以评估地震发生时一个核电厂的管道的运行情况【9 j 。 采用有限元法对高压离心水泵系统进行模态分析，发现系统的固有频率与系统的 运转频率有较大的差异，系统的动力学性能对抗震性能影响较小，因此可采用静力法 分析系统的抗震性能。结果表明：泵系统在自重、接管载荷、螺栓预紧力和震动载荷 同时作用下，能够保证承雎部件的完整性和转子系统的可运转性，泵与底板、电机与 底板连接螺栓和地脚螺栓的应力满足a s m e i _ n f 巾对三级设备的要求【l o 。 1 2 3 2 反应谱法 在进行反应谱法分析地震响应之前，首先要进行模态分析。姚学诗等人利用有限 元方法计算了核电厂钢架支撑排气钢塔的同有振动模态，研究了该结构在地震状态f 的瞬态响应，为大型核电厂结构设计提供参考【1 2 】。 地震频谱分析方法的原理。对数字信号的处理有多种方法每种方法都有其应用范 围和优缺点。而且优缺点也是相对于某种具体应用而言的多年来。快速傅里叶变换和 最大熵谱分析在各领域得到广泛应用。对这两种方法的优缺点都有一些评价当利用这 两种方法提取一次大地震震前、震时和震后的频谱成分时，所得结果如何。有必要作 一些具体的分析对比本论文采用最大熵谱法( m e m ) 和快速傅氏变换( f f t ) ，对1 9 9 6 年 6 月1 日天祝m s 5 ，8 地震序列频谱进行分析处理。通过对两种方法处理结果的比较， 验证其可靠性和有效性。并对比两种方法的优缺点，指出各自适用的范围及使用中应 注意的问题，供今后进行地震频谱分析时参考【1 3 】。 频谱分析法是目前设备抗地震分析的主要方法。本论文应用频谱分析法成功地分 析了一实际设备的地震响应口j 题，在对实际结构进行了考虑重力的地震频谱分析后， 考察的各危险点均符合强度要求。在规定的地震中，地脚螺栓连接稳固，支撑系统具 有足够的强度，设备本身也不会发生破坏，设备的位移在允许的范围内，不会发生碰 撞1 1 4 j 5 】。 对于有核安全级要求的联合泵房，采用有限元分析的方法进行整体分析。需要指 出的是，在整体分析中，地震的作用是作为荷载输入的，对于地震作用的计算。分析 中没有采用传统的拟静力计算方法，而是采用了更为精确的动力分析方法：反应谱分 析。一个反应谱是一个线性单自由度系统在给定的时间历程上的最大反应谱值曲线， 北京化工大学硕上学何论文 曲线的横坐标是系统的自振频率，纵坐标是最大反应谱值。依据纵坐标为位移、速度、 或加速度的不同可以将反应谱区分为何移谱、速度谱、或加速度谱。在本分析中我们 将采用加速度谱作为输入谱【m 1 。 电机是核电厂中常见的设备之一，该设备在荷载作用下转子、轴承等处的振动摆 度可能会超过允许值，造成转动部件和支承系统较大的动应力：严重时，会发生定转 子间的碰撞和摩擦，造成磨损和破坏，从而给电机一负载系统的安全可靠运行带来很 大的危害。本论文按照有天规范的要求，采用有限元法对核电厂用- 一相电机在地震载 荷、自重、扭矩和单边磁拉力等多种载荷组合作用下进行了抗震性能计算分析，结果 表明在上述载荷作用下，电机机体的应力状况满足抗震要求，电机轴的变形在允许限 值内。本论文利用a n s y s 有限元软件对电机整体结构的固有特性进行了计算。定转 子间的摩擦分析与泵内动静环的分析类似，也为泵的分析起着指导作用【1 7 1 。 目前的核蒸汽供应系统( n s s s ) 的目的是消除热裂变的循环冷却液在封闭的循 环从反应堆。为轻水反应堆，这主要职能是指定的反应堆冷却剂泵( r c p 封装) 。西 屋型9 3 ar c p 是地震反应分析。这r c p 是一个垂直的，单级，离心泵设计将9 00 0 0 设置g p m ( 5 6 8m 3 s ) 水和驱动6 0 0 0 马力电机用于压水堆主系统。反应冷却泵的装 配和一般轴对称模型采用三维有限元的类型通常在通用的计算机程序，如a n s y s 软 件或n a s t r a n 。反应冷却泵模型中包含8 2 个节点，1 5 5 个和1 4 0 个主元素动态自由 度。首先进行模态分析频率，以确定各阶模态形状。抗震分析是由反应谱法在a n s y s 中，与地震波速度作为输入激励参数。该模型足激发了一套三个正交谱。对于每个载 荷激励，通过运行子程序计算在每一个节点三个方向的模态位移，力和力矩的总和。 然后再使用将s s ex y 和s s ey - z 三个方向的模态值进行平方根之和( r s s ) ，这样 节点的应力值就算出来了。通过选定不同阶的模态的节点，来得到绝对位移。进而可 以确定在轴承和迷宫式密封环处的相对位移。最后，就可以得到已经选好的节点的加 速度。本论文评估了影响反应冷却泵在某一地震激励下的整体结构完整性指标【1 8 1 。 频谱法分析时，如果能利用上多点输入法，就可以更加准确地表示出系统最危险 时的方向。谱分析可以代替时程分析，主要用于确定结构对随机载荷或随时间变化载 荷( 如地震、风载、海浪等) 的动力响应，因此本论文采用地震响应谱分析法对该核电 厂反应堆冷却剂泵进行地震响应分析。将地震波以地震谱的形式从三个方向来输入进 行地震响应分析。应用响应谱法进行地震响应分析的步骤是：建立系统的力学模型； 对系统进行模态求解；获得谱解【2 1 。而g e o r g ep k o u r e t z i s a , g e o r g ed b o u c k o v a l a s a , c h a r i sj g a n t e s 等人 1 9 1 也同样提出了对地震加速度谱进行任意方向输入的处理。 在大跨度结构的抗震研究领域，多点输入反应谱方法因其形式简洁、物理意义明 确、应用方便等优点而获得了广泛重视和迅速发展，并已在一些重大工程项目的抗震 分析中得到了应用。本论文首先详细阐述了近年来国内外多点输入反应谱分析方法的 研究现状；然后介绍了多点输入反应谱法的应用情况，包括基于该方法进行的大跨度 4 第一章绪论 结构地震反应分析和抗震可靠度分析；最后，提出了今后研究中一些需要进一步解决 的问题1 8 】。 1 2 3 3 动力法 目前较先进的乏燃料组件储架系统是一个具有多种强= f 线性性质的三维系统。本 论文作者徐鸿运用弩门设计的储架系统非线性动力响应时程分析程序，线性动力响应 时程分析程序经过论证和有关核技术管理单位认可后，才用于分析。提出了只有用多 自由度非线性系统动力响应时程分析技术才有可能从理论与实践上解决这种强非线 性系统对地震的动力响应问题。因此，如何分析工程上大量存在的非线性系统的动力 响应是个重要的和迫切的问题。木论文详细介绍了动力响应时程法的原理【2 0 】。 以南水北调台儿庄泉站为研究对象，运用基于三维的有限单元法和设计反应谱 法，分析了该泵站的动力特性及动力响应：并借助西班牙商业软件g i d 进行了有限元 的前后处理工作。最后的计算结果表明：台儿庄泵站设计合理，整体结构的抗震稳定 性满足设计规范要求。其中，借助西班牙大型商业软件g i d 软件进行有限元模型的建 立，并采用采用直接虑频法计算泵站整体结构的自振频率和相应的振型向量【2 1 1 。 在整个结构方案中，综合使用了多种结构形式和建筑新技术，包括：预应力混凝 土、钢管混凝土、空间网壳和结构转换层。采用振型分解反应谱法和时程分析法两种 方法，使用大型有限元分析程序a n s y s 5 7 1 ，对该结构进行了动力特性及地震反应 分析，得到了该结构的自振频率，振型特点，位移分布。基底剪力等参数，在此基础 上指出了结构的薄弱部位及其相应的结构措施，为结构设计和结构的安全使用提供了 依据【2 2 1 。 核电厂堆芯燃料组件在强震作用下难以避免地将产生摩擦滑移和相互间的碰撞 等非线性反应。关于燃料组件之问以及燃料组件与围板之间的碰撞模拟对燃料组件地 震反应的影响已有计算分析成果。但是，由于摩擦、滑移引起的燃料组件的非线性动 力特性在燃料组件地震反应的现有限元模型中还未得到考虑。本论文基于试验测定的 燃料组件的非线性动力特性，提出了考虑上述因素的燃料组件地震反应分析方法【2 3 1 。 而动力学法包括：( 1 ) 简化动态分析若设备为挠性的，并经用户同意，可进行简化 动态分析。它与静态分析区别在于使用不同的地表动态加速度值，地表动态加速度为 响应谱线上相对于基础固有频率对应的加速度值再乘以1 5 。若基础固有频率未知， 则把响应谱线的最大加速度值乘以1 5 ，采用1 5 系数是考虑到可能有高阶模态而留有 的余量。( 2 ) 详细动态分析菪用静态分析不能满足要求时，而不考虑高阶模态的余量因 子，则需数学建模，进行详细动态分析。模型包括集中块状模型、柱状模型、三维立 体模型等【7 1 。 刘应德等人采用a n s y s 程序的三维弹性粱元建立了模拟6 0 0 m w 核电厂反应堆 5 北京化工大学顾士学位论文 试验模型动态特性的水平分析数学模型，通过瞬态动力分析，研究了水平地震载荷作 用下，从反应堆支撑到堆芯的载荷传递特性以及反应堆结构的动态响应，得到了反应 堆压力容器的相对水平加速度响应时程。并与反应堆试验模型抗震试验结果进行了比 较。a m a b b a s 也将运用傅里叶级数对地面十壤进行了时程分析法用于分析，考察 结构的影响屈服强度和阻尼比对地震产生负荷和年甘关结构的反应【2 5 1 。 1 2 3 4 随机振动法 随机振动法建立在地面运动统计特征的基础上，把具有统计性质的地震动作用到 结构上，提供了结构响廊的统计度量，不受任意选择的某一个输入运动的控制，被认 为是最合理的分析方法。国内外不少学者对此做了大量的研究工作，其中最有影响的 当数a d k i u r e g h i a n t 2 6 】和e h v a n m a r c h e 等人的t 作，他们都从随机振动基本方程出 发来研究多点不均匀地震激励问题，但是最终他们都通过不同的近似手段，用反应谱 方法进行数值求解。不过，他们给出的计算过程仍然相当复杂；f e d e r i c o p e r o t t i 研究 了地震激励由于距离和频率不同而对结构地震反应产生的影响；r b e t t i f z 7 】采用随机振 动方法研究了非一致激励条件下的结构地震反应，结果表明，同一致激励的情况相比， 结构地震反应有明显变化；c a r a s s a l e 等人【2 3 1 提出了一种近似方法并基于一个简化模型 计算了一座大跨度桥梁；林家浩等【2 9 】提出了一种虚拟激励法，并解决了大跨度结构抗 震分析的主要困难。该法计算效率高，而且自动包含了全部参振振型之间以及非一致 激励之间的相关性，理论上是随机振动方程的精确解法，为大跨度桥梁非一致激励地 震分析提供了一个有效的途径；李建俊、林家浩等【3 0 1 基于虚拟激励法研究了大跨度复 杂结构的空间部分相干非一致激励甲稳随机地震响应口。 1 2 a 核电用消防水泵的抗震有限元分析 用于抗震分析的有限元软件有：如用c a t i a 、m s c 、n a s t r a n 、a l g o r 、s u p e r s a p 等有限元软件进行模态分析处理【7 】。 运用c a t i a 软件建立了与真实辅助泵完全一样的三维模型，使用四面体单元对 建立的模型划分有限元网格，克服了采用壳体单元的近似，使模型的计算结果更加可 靠。计算了反应堆用辅助泵的抗震性能，在地震载荷、温度场的作用下，最大m i s e s 等效应力为1 5 8 m p a ，小于应力极限值1 3 2 8 2 5 m p a 。辅助泵完全满足相关规范抗震强 度的要求1 3 2 】。 用有限元方法做泵的强度验算，一般是使用壳单元。泵的厚度为一个固定值本论 文通过c a t i a 软件建立了与真实主泵完全一致的三维模型，使用四面体单元对建立 的模型划分有限元网格，克服了采用壳体单元的近似。使模型的计算结果更加可靠计 6 第一章绪沦 算了反应堆主泵的抗震性能。在地震载荷、温度场的作用下，反应堆主泵的最大m i s e s 等效应力为2 9 9 m p a ，根据a s m e i i i in d 3 4 0 0 所确定的该材料许用应力极限值 1 3 2 8 2 5m p a ，其完全满足相关规范抗震强度的要求【3 3 】。 以核电厂用屏蔽泵为研究对象，采用有限元法及a n s y s 软件，对其施加满足实 际工况的约束，计算出屏蔽泵的自振频率和振型。i _ j 时对屏蔽泵在地震载荷、自重、 扭矩等多种载荷组合作用下进行了抗震性能分析。计算结果表明在上述载荷作用下， 屏蔽泵的应力状况满足抗震要求，泵轴的变形在允许限值内。且该文章作者详细讲解 了核电用泵的几何模型的合理简化及单元的选用【3 4 1 。 为解决国产标准泵蜗壳壁较厚问题，用传统公式计算$ 5 1 6 0 7 5 型标准泵壁 厚，并进行修正。采用f l u e n t 模拟小流量与设计工况下蜗壳内沿液流方向的压力分 布，分别为由大n d , 再变大及逐渐增大的趋势。采用a n s y s 计算2 种工况下蜗壳所 受应力与应变情况，得到易破坏部位分别为蜗壳隔舌与环形部分最大尺寸轴面处。对 蜗壳强度进行校核及有限元分析，表明修正后的蜗壳壁厚满足强度要求。并通过水力 性能试验，得到计算结果与试验数据相吻合【3 5 l 。同样范德杰，叶冰等人通过对冷却水 泵机组和泵轴的模态分析，论证了机组和泵轴的固有频率在3 3 h z 以上该机组在发生 期间不会发生共振现象，可正常运行。通过埘机组的疲劳分析。论证了机组经过地震 试验后不发生破坏1 3 6 】。 1 3 核电用消防水泵的内流场数值分析概述 1 3 1 泵内流场的分析 前人运用流体分析软件对离心泵进行内流场的数值模拟，进而对叶片两侧的压 力，流速及压力分析，得出了对改进泵结构的重要结论： 隋荣娟，孙居彦，李仁杰【3 7 】等人，通过采用f l u e n t 软件对离心泵的内部流场 进行模拟：压力面的相对流速要低于吸力面，这足由于叶轮的旋转运动引起的：同时， 由于相对流速的不均匀而引起压力面的压力高于吸力面。与理论研究相比，该模拟结 果更加直观地表现出内部流体的流动情况。 唐辉，何枫等人【3 8 】采用三维无结构网格建立计算模型，利用四节点并行版本 f l u e n t 计算了离心泵的三维流场。对三种计算模型进行了比较，为以后进行相关的 计算提供参考意见；同时通过对离心泵内部流动速度、压力分布的分析，捕捉到流动 冲击、二次流等重要的流动现象，对泵的性能与改进提供确实的物理信息。 黄思，王国玉等人【3 9 】使用f l u e n t 软件模拟计算单级蜗壳式离心泵的全三维流 场，发现泵叶轮内各通道的流量、流速及压力等分布有显著差别，流动呈现明显的非 7 北京化工大学硕上学位论文 对称性及叶轮载倚不均。选用多重参考坐标系及标准k 一占湍流模型，计算了泵体受到 的轴向力和径向力，结果表明凶泵内流场非对称而产生较大的径向力。对泵性能的预 测值与实测值作了对比，以验证计算结果。 1 3 2 泵结构的优化 与此同时，可以运用流体分析模拟软件对泉的结构及水力性能进行改进，前人的 典型研究如下： 杨敏宫，李辉，高波，刘栋，顾海飞等人【4 0 l 以带有空间导叶的离心泵为研究对象， 通过c f d 方法，在三种工况下，对包括吸入室、叶轮和导流壳在内的全三维湍流场 进行数值计算，获得了导流壳内的速度分布和压力分布。结果表明：导流壳能很好地 将叶轮中流出的流体的动能转化为压能，并消除速度的圆周分量：在0 8 q 工况下， 空间导叶的进口冲角增大，容易在空间导叶背面产生流动分离，造成水力损失增加； 在1 2 q 工况下，空间导叶的进口接近无冲击人流，在进口处流速分布较均匀，其内 部未发生流动分离现象。 张德胜，施卫东，陆伟刚，曹卫东等人【4 i 】提出：叶片出口角和叶片数对扬程和驼 峰的影响较明显，增加分流叶片后，扬程提高明显；增加合理布置的分流叶片可以提 高泵的扬程和效率，改善叶轮内部流动和湍动能分布；泵体的喉部面积对性能影响非 常敏感，其可以有效控制高效区范围和最高效率。 本研究采用k 一占湍流模型，借助于n u m e c a c f d 软件对一离心泵内部的三维湍 流流场进行数值模拟，针对性的改进叶片的头部形状和进水边的形状。进而优化叶片， 改善叶轮内部流动，提高水泵的水力it ：b g 4 2 1 。 范恒夏，王幼民，唐铃凤，徐振法等人【4 3 】采用标准一湍流模型和s | m p l e c 算法， 对离心泵内流场三维不可压湍流流动进行数值模拟，分析因泵体的非对称结构以及叶 轮、蜗壳问较小间隙导致的内流场非对称性。并以计算流体力学( c f d ) 分析结果为依 据，对离心泵蜗壳进行了优化设计。揭示了泵内流道的压力及速度分布规律，为离心 泵的性能预测、水力设训及优化设计提供了依据。 1 4 本论文的研究内容 本文采用有限元法对核电用消防水泵做如下研究： 1 在地震载荷作用时，利用频谱分析对核电用消防水泵在地震载荷作用进行频谱 分析，通过分析得出该水泵在三维地震载荷作用下的响应； 2 在静载荷工况下，对核电用消防水泵进行有限元静力分析，求得水泵在静力载 8 第一章绪沧 倚作用下的响应： 3 通过对j 维地震载荷及静载荷作用下的相应进行均方根的组合，而得到地震事 故工况下的有限元解，并对其径向口环间隙的变化晕、螺栓强度、法兰密封、轴承载 荷、泵壳强度及转予轴强度等进行校核，保证其正常运转； 4 利用计算流体分析软件，对水泵进行分析。研究凶泵体的非对称结构以及叶轮、 泵壳间较小间隙等对泵内压力及速度流场分布的影响，为结构优化提供依据。 9 第一二章核电_ l j 消防水泵的技术资料 第二童核电用消防水泵的技术资料 2 1 核电用消防水泵基本技术参数 该单级单吸卧式离心泵的主要设计参数：入口最大直径为4 0 5 m m ，入口压力为 0 1 6 m p a ，出口最大直径为3 4 5 m m ，出口压力为2 0 m p a 。叶轮转速为3 0 8 9 2 r a d s ，叶 轮外径为d 2 = 3 4 2 m m ，叶轮轮毂宽度b = 7 6 m m ，叶片数z = 6 ，泵壳基圆直径d 3 = 3 8 5 m m ， 蜗室宽度b l = 3 8 m m ，转子轴的直径为3 5 m m 。 2 2 核电用消防水泵的地震频谱及接管载荷 2 2 1 楼层地震响应频谱的有关说明 地震载荷：o b e ( 运行基准地震载荷) 和s s e ( 安全停堆地震载荷) 。任意地震 可分解为沿x 、y 、z 三个方向的分量：x 、z 轴构成水平平面，( 设水泵叶轮轴为x 方向) ；铅垂方向为y 轴。 ( 1 ) 采用标高为0 0 0 0 m 楼层的地震响应加速度频谱作为消防水泵地震载荷 的输入数据； ( 2 ) 给出的表格形式为标高为0 0 0 0 m 处沿水平x 轴方向的o b e 楼层地震响应 加速度频谱数据( 包括阻尼比分别为2 、4 、5 、7 和1 0 时的地震响应加速 度频谱数据) ，以及沿铅垂y 轴方向的o b e 楼层地震响应加速度频谱数据( 包括阻尼 比分别为2 、4 、5 、7 和1 0 时的地震响应加速度频谱数据) 。数据的单位为 g ( = 9 8 m s 2 ) 。 ( 3 ) 核电用消防水泵地震分析时的o b e 楼层地震响应加速度频谱数值采用阻尼 比等于2 时的数据；s s e 楼层地震响应加速度频谱数值采用阻尼比等于4 时的数 据。 ( 4 ) 标高为0 0 0 0 m 处沿水平z 轴方向的o b e 楼层地震响应加速度频谱数值与 同一标高处沿水平x 轴方向且相同阻尼比的o b e 楼层地震响应加速度频谱数值相等。 具体到消防水泵分析所采用的o b e 楼层地震响应加速度频谱数值，即有o b e z ( 2 ) = o b e x ( 2 ) ： ( 5 ) 标高为0 0 0 0 m 处沿、y 、z 轴方向的s s e 楼层地震响应加速度频谱数值 分别是同一标高处沿x 、y 、z 轴方向且相同阻尼比的o b e 楼层地震响应加速度频谱 北京化工大学硕上学位论文 数值的一倍。具体到消防水泵分析所采用的s s e 楼层地震响应加速度频谱数值来说， 即有： s s e x ( 4 ) = 2 o x o b e x ( 4 ) s s e y ( 4 ) = 2 o x o b e y ( 4 ) s s e z ( 4 ) - 2 o x o b e - z ( 4 ) o b e 地震响应加速度频谱数据具体数值的确定如下： 首先，从表格形式的标高为0 0 0 0 m 处沿水平方向的o b e 楼层地震响应加速度频 谱数据表中取 h 两个阻尼比为2 时的地震响应加速度数据，记为： o b e - x ( 2 ) o b e z ( 2 ) = o b e - x ( 2 ) 再从表格形式的、标高为0 0 0 0 m 处沿垂直方向的o b e 楼层地震响应加速度频谱 数据表中取出阻尼比为2 时的地震响应加速度数据，记为： o b e - y ( 2 ) s s e 地震响应加速度频谱数据具体数值的确定： 首先，确定两个阻尼比为4 时的水平o b e 地震响应加速度数据，记为： o b e x ( 4 ) o b e z ( 4 ) = o b e x ( 4 ) 以及一个水平o b e 地震响应加速度数据，记为： o b e - y ( 4 ) 再按下列公式求出s s e 地震响应加速度频谱的3 个数据： s s e - x ( 4 ) = 2 o x o b e - x ( 4 ) s s e - y ( 4 ) = 2 o o b e y ( 4 ) s s e z ( 4 ) = 2 o x o b e - z ( 4 ) 2 2 2 接管载荷数据 核电用消防水泵的接管载荷数据见表2 1 。下述4 种接管载荷的方向按最危险的 方向同时施加。 1 2 第_ 二章核电月：| 消防水泵的技术资料 表2 - 1 接管载荷数据 t a b l e2 1t h e1 0 a dd a t af o rc o n n e c t i o nt u b e 接符载荷值 接管口工况 轴向力n甄切1 ) 】烈扭矩刷m弯矩小m 设计i ：况2 6 7 0 4