1000MW给水泵补充计算

1、KY76-2021平海1000MV超超临界机组给水泵转子动态计算、过盈装配工程工作补充报告 郭婷 王跃方沈鼓集团沈鼓-大工研究院2021 年 5 月目录1 绪论 2.2 计算输入边界 2.2.1 瞬态热传导分析的理论根底 2.2.2 传热性质计算第三类边界条件的参数确定 3.2.3 热学与力学分析模型 8.3 计算结果 9.3.1 温度分布 9.3.2 von Mises 应力 1.13.3 位移 1.7.3.4 总结 2.0.1绪论水泵在正常运行中，泵内流体的温度约为 180C，由于热传导的作用，泵体 会升温，膨胀并产生热应力，对结构的强度产生了一定的影响。 本次分析是研究 平海1000MW

2、超超临界给水泵在热水的作用下能否满足强度的要求。本次分析属于热固耦合问题。首先，对泵体进行瞬态热分析， 得到稳态时泵 体的温度分布场，然后将结果作为热荷载输入到结构分析模型中，计算热变形和 应力。由于结构的变形是微小的，缺乏以显著地改变温度场的边界条件， 因此分 析结果是足够准确的。2计算输入边界2.1瞬态热传导分析的理论根底在一般三维问题中，瞬态温度场Tx, y,z,t在直角坐标中应满足的微分方程 和边界条件分别是c(kx)(ky)(kz )Q0 (在 内)(2.1 )txxyyzz在1边界上(2.2 )kx-nxky -ny kznzq在2边界上(2.3 )xyzkx-nx kyny kz

3、-nzh( a)在3边界上(2.4 )xyz式中，为材料密度kg/m3； C为材料比热容J/kgC ； T为时间S;kx,ky,kz,分别是材料沿x,y,z 方向的热传导系数W/ m-C ； Q=Qx,y,z,t 为物体内部的热源密度W/kg ; nx,ny,nz为边界外法线的方向余弦；,t为1边界上的给定温度；q q ,t为2边界上的给定热流量W/nf; H为放热 系数W/mC;在自然对流条件下，a是外界环境温度；在强迫对流条件下a 是边界层的绝热壁温度。边界应满足 1 2 3 ,其中是 的全部边界。求解瞬态温度场问题是求解在初始条件下，即在0 当t=0条件下满足瞬态热传导及边界条件的场函数

4、 。如果边界上的_,q, a及内部的Q不随便时间 变化，那么经过一定时间的热交换后，物体内各点温度也将不随时间变化，即0，这时瞬态传导方程就退化为稳态热传导方程:(kx) (ky) (kz )Q 0 (在 内)(2.5 )x x y y z z采用ANSY歎件分析瞬态温度场。在冲击发生之前，取结构及环境的温度为 25C。2.2传热性质计算一第三类边界条件的参数确定水泵的温度场分析包括两大局部：强制对流换热分析与自然对流换热分析，分别用于泵壁面与水流的换热， 以及壁面与空气的换热。为此，必须首先确定流 体与筒体间的传热系数。由于流体的物理状态复杂、影响因素众多，通常进行无量化，进而统计各种规律。

5、量纲分析建立在相似理论的根底上，最终确定努塞尔 数Nu、雷诺数Re及普朗特数Pr等。根据传热学知识，这些参数的定义为：Nu hde/ , Gr3g tl(2.6)vde vdeCpRe e e, Pr = p(2.7)a / Cp上式中，de是特征尺寸(m); B是流体容积膨胀系数(1/K) ; t是流体与壁面温度差(o C); I是壁面定型尺寸(m) ； v是流体的流动速度(m/s) ; u是流体的 运动黏度(m2/s) ; a是流体的热扩散率(m2/s);入是导热系数(W/m K) ； h是换热 系数(W/m2 - K)。根据传热学教材和?热工手册?，我们计算了水泵的传热参数，见以下表：表

6、2.1传热参数强制换热-入口阶段温 度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)hcNu / de(W/(m 2 K)151.156E-061.0269E+068.273.7976E+030.58654.6792E+03604.780E-072.4834E+062.994.8228E+030.6596.6770E+031002.950E-074.0239E+061.755.5612E+030.6837.9796E+031402.170E-075.4703E+061.266.1271E+030.6858.8173E+031801.730E-076.8616E+061

7、6.6162E+030.6749.3683E+03出口阶段温 度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m 2 K)151.156E-061.6026E+068.275.2056E+030.58651.0010E+04604.780E-073.8757E+062.996.6604E+030.6591.4391E+041002.950E-076.2799E+061.757.7059E+030.6831.7256E+041402.170E-078.5372E+061.268.5062E+030.6851.9104E+041801.730E

8、-071.0709E+0719.1972E+030.6742.0324E+04芯包外与筒体之间(入口阶段)温 度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m 2 K)151.156E-063.5106E+058.271.6866E+030.58652.5071E+03604.780E-078.4901E+052.992.1191E+030.6593.5393E+031002.950E-071.3757E+061.752.4316E+030.6834.2092E+031402.170E-071.8702E+061.262.6715E+03

9、0.6854.6380E+031801.730E-072.3458E+0612.8793E+030.6744.9184E+03芯包外与筒体之间(出口阶段)温度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m 2 K)151.156E-062.9968E+058.271.3064E+030.58651.9448E+04604.780E-077.2476E+052.991.6920E+030.6592.8302E+041002.950E-071.1744E+061.751.9682E+030.6833.4121E+041402.170E-071

10、.5965E+061.262.1793E+030.6853.7890E+041801.730E-072.0025E+0612.3612E+030.6744.0394E+04芯包内直流道温 度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m2 K)151.156E-061.1433E+068.274.1300E+030.58651.8768E+03604.780E-072.7650E+062.995.2474E+030.6592.6794E+031002.950E-074.4802E+061.756.0521E+030.6833.2029E+

11、031402.170E-076.0906E+061.266.6687E+030.6853.5395E+031801.730E-077.6397E+0617.2021E+030.6743.7610E+03芯包内温 度(C)运动粘度(m2/s)Re Vgde/PrNu导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m2 K)151.156E-062.2634E+068.276.3176E+030.58654.7504E+04604.780E-075.4737E+062.998.2677E+030.6596.9853E+041002.950E-078.8693E+061.759.6613E+030

12、.6838.4600E+041402.170E-071.2057E+071.261.0725E+040.6859.4185E+041801.730E-071.5124E+0711.1640E+040.6741.0058E+05表22传热参数 (自然换热-泵体外外表)温度t (C)g (m/s2)L (m)t(C)相对温度25tmt 25(C)2(1/K)的表示的值1809.81.43155102.51/(273+102.5)0.002663116温度运动粘度(C)(m2/s)3丄 g L t GrPr1049Gr 3 10过渡CnNuC Gr Pr n导热率(W/(m h gNu / dek)

13、(W/(m 2 K)h gNu/de(W/(mm 2 K)1002.313E-052.2111E+100.688NuCGr Pr n0.10.332.4778E+020.03215.5620E+005.5620E-06传热参数 (自然换热-入口)温度t (C)g (m/s2)L (m)t 25t (C)相对温度25tm(C)2(1/K)的表示的值1809.80.5155102.51/(273+102.5)0.002663116温度(C)运动粘度(m2/s)Gr g L3 tPr104Gr 3 109过渡CnnNu C Gr Pr导热率(W/(m k)h gNu / de(W/(m 2 K)h

14、gNu/de(W/(mm 2 K)1002.313E-059.4516E+080.688NuC Gr Prn0.59 0.259.4216E+010.03216.0487E+006.0487E-06传热参数 (自然换热-出口)温度t (C)g(m/s2)L (m)t(C)相对温度25tmt 25(C)2(1/K)的表示的值1809.80.531155102.51/(273+102.5)0.002663116温度(C)运动粘度(m2/s)Gr3丄 g L t2Pr104Gr过渡3 109CnNuC Gr Pr n导热率(W/(m h gNu / dek)(W/(m 2 K)h gNu/de(W/

15、(mm 2 K)1002.313E-051.1321E+090.688NuC Gr Prn0.590.259.8564E+010.03215.9584E+005.9584E-062.3热学与力学分析模型根据以上结果，得到了不同温度下的强制对流和自然对流换热边界条件。按照图1.1所示的曲线进行加载，在每一步的加热过程中，软件将根据温度的 计算值，分别更新换热系数，完成瞬态温度场计算。热分析单元类型：solid87,solid90，surface152IE.0.75DTiu s1. =+j1皿巧$图2.1温度加载曲线结构分析分为两个载荷步，第一步参加螺栓预紧力，将外表压力放入第二 个载荷步加载。本

16、次分析约束了泵脚底面 y方向的位移和螺栓孔x和z方向的 位移，这样更真实的反响了泵体的边界条件。3计算结果3.1温度分布J8U. Tifi2. ttTji Atu= g 39右朋22.001 Um图3.1稳态时温度分布B卩斥IfflJ Sin.图3.3稳态时温度分布K5禹127 65110 047 4. 04? OIJI Bin180, 47旳如aO.DOO:500TciBf-era tx T4ffiDriCir IH 七 B CTir*s. 1ZW 20214=27 10 12图3.4稳态时温度分布I iiBparType T Bmp eratur e Uiil t. u CTime 120

17、020J9-4-27 10:30LBO.47162. B61 IE. 2E127.65L1C. 04&2.43274.824L 57,216 59,602Z2.O01 Bia图3.5稳态时温度分布经过1200s,泵体的温度分布根本稳定。承压边界的温度最高，因为热传导的作用，泵体的温度沿外层方向逐渐降低。其中，泵体外层为50C130C,靠近吸入和吐出口的温度较高。吸入侧泵盖为20 C60 C,轴承体根本为室温。70 r100C，吐出侧泵盖为5S WETS IDaeeJEro【匸乙cig亦鶯UM1&常时cMrLB.810F9| E一_雷*wl *he!l& zv 2*w=bnxl-xl 聲tfl-

18、4 卿 fcfl* & Ms S S_IAI uo磔联、“ 曲于总开去】 qd 赶觀M90wg I6F Hlb-ellpi 窖吕CMcoFIni *Aten 4Ty4 : Eqizklnt (v-en-fli 6*c.： Vail： FTim： 2.pniw-27 ifi -fi7.1e9B 41：3.0SCS3? U2C.0103IS133 Bin图3.9泵整体von Mises应力K41&1 vftl iktT/pB EialsLLlUnit 肚EDO9 V27 11; ID9. 4500 80 404387 4471d8 4DBa5 DM4 0403*83 DMJta2 0202c91

19、0?U2H15133 liB图3.10泵整体von Mises应力Eiuivtltal Stus 2Tyc(wce-RLzVhLt： Fa2021-4-2T 16 39J?JOO (b)3卢拠2 ICGTiRa 4 50图3.11泵壳体von Mises应力bnT 】：；I99解加嚴T 351 間3 15 2-2 c：1 Cfi症出4 JJcbTin ti Z.:TLidf 旷 Lb *10 limiJ S i j # ?讥紳HiIfcLl 氏rifi 2.3CR A-ST I孕W13褐i 4013e8t 3SP-WleW: E靈凤4.S0EM图3.12泵壳体von Mises应力图3.13泵

20、脚处的应力集中Kiqiii will phI Strf- T_ iui-csvt (TenNiEaEUmt： P iT“p PSMg-LE ID 41S砧C9M 运0.73060V. 110144T UOfloA匚77此生6.10Q485 4却2* koj 谒t.OB02c8? 75sfl电.seai图3.14泵壳体进出口的应力集中图3.15泵壳体上的应力集中图3.16泵壳体 von Mises应力电StirtsE 3IToii： :ThMKI-4-2T Li: 43nl.Iai6.27184B7 B45a?Ticie 2.it . lit TC4?t.5EB4f5926 9 Bin3*17

21、n隔m3. 92D14Z2L35Z3cEL. bEU“.0 I1LL.呷I II jnw0. 3M_ C.5QC nyD?5(lL图3.17内壳体 von Mises应力Type ； Equivleilti ses) StressWnil: 0Z_7.0557e86_ 2718*85 437984 704e63 90103 1362820M-4-27 1614B1.5684e8T 845e75301 inTTSC图3.18内壳体 von Mises应力图3.19内壳体的应力集中图3.20内壳体的应力集中2 -2 04 4.81.7361 S1.5312eSL21!b3d5LQ2J3ei5 7_

22、6643 eT 5-U51tT 2_SG59eT 1.阴阳祐0.0007Bu2.041et；1.2TCSd01.02i3dST 上 e4ceY5.H5UY1 fr&3eS BlnI-ti vOeiht Sires lyf Eivolont Vut： P*lime： 2_2COCH4-27Kqival#bI4T於：(raisti) StrtssUcdt: FiTi; 2,烈09七7 16 5 4图3.21驱动侧泵盖von Mises应力Iii VltltBl Sin 电加 TypuWil: fs3wt匕 El|lLlJ-Ul StrKh 5 Tvp.Ojrs-fliseiJnif TsTime:

23、 22X44-餌 IS1 W妨胡I.HQi.4Otai 規晡亦S.EEQU7S.U1U73.052*7lifTie: 2_aOCHT2.5045e22號柏3, D293tC Bin2 S0458器工刃序畑i 6mai *附曲B 55&1?5 0DIU73 0527QL 0Q0图3.22非驱动侧泵盖von Mises应力E4ivkLu4 Slria TT;yi t Eq-al 说il： PaEQH-4-27 16:7Ei|nival*nl丁妙电；tiuvalt (von|si Vait; FtTint： 2.汕 nZTT 1&-FAE.6OT9I. ltd 应 4.42佰曲 s.esss-e 2

24、.S61&i64.?40=82百越5出吕旷民丁Pi 祁C. 000CT25D1 我59阳1 29435.0373t=J5.日98甜3.0i6eS3.24313图3.23螺栓组von Mises 应力泵壳体的最大应力为945MPa,发生在泵壳体上泵脚与地基连接的螺栓孔附近，属于应力集中处，如图3.13所示。由图3.16可以看到，深蓝色局部均小于许用应力257 MPa，大于许用应力的局部均发生在几何突变处如图 3.14,3.15所示，所以泵壳体满足强度要求。同样，内壳体的最大von Mises应力为705.57MPa,发生在几何突变处如图3.19, 3.20所示，而内壳体其余局部的 von Mis

25、es应力均小于许用应力 550MPa,满足强度要求。轴承体的 von Mises 应力远小于许用应力200MPa，同样满足强度要求。表3.1考虑温度的泵定子在承压下强度分析结果最大von Mises应力MPa许用应力MPa是否满足强度要求吸入侧泵盖229.6275是吐出侧泵盖250.5275是吸入侧螺栓785663.5是吸入侧螺母930吐出侧螺栓785583.7是吐出侧螺母930综上，定子局部在受到温度为180的水和压力的作用下，满足强度要求3.3位移由于温度的作用，使泵体产生膨胀，其中在泵壳体与内壳体紧密接触处， 材料较厚，并且泵壳体上装有固定支座，径向刚度较大，使得这些地方的径向 位移较之其它地方偏小。热变形在泵壳体上呈现出由中部到两端逐渐增大之势。 吸入侧泵盖和吐出侧泵盖的外侧均连接轴承体，其温度较