屏蔽部件稳定性研究-05

多场作用下的大型屏蔽电机屏蔽部件稳定性研究博士研究生：宁文波指导老师：王德忠教授核电技术与装备工程研究中心汇报主要内容●研究意义、目的●影响屏蔽部件稳定性因素●流体载荷对屏蔽部件稳定性影响2/39研究意义及目的

核电具有高效、清洁、安全、稳定可靠的特征，已成为世界电力的三大支柱之一。核电要实现高效安全发展，先进可靠的核电技术成为其基础和重要支撑。

目前，我国引进了美国西屋公司AP1000核电技术，并在此基础上开展CAP1400技术研发、1700MWe核电技术预研、关键设备及材料研究。而屏蔽电机主泵是我国当前大力发展的第三代先进压水堆核电站的关键核心设备，是轻水堆冷却剂循环泵（主要有三种：轴封泵、屏蔽泵、湿定子泵）之一。3/39其主要特点是在正常情况下不会产生泄漏，定转子之间有屏蔽套隔开。

工作环境特殊。

结构特殊。基于屏蔽主泵效率的考虑，屏蔽部件为大长径比、厚度很薄的薄壁壳体，已有的壳体理论表明这种细薄结构容易失稳。

载荷条件复杂。在特殊工作环境中，复杂多场共同作用下和可能的运行工况下，屏蔽部件理论上易于失稳屈曲甚至会发生颤振。4/39失稳会导致屏蔽部件的构型发生质的变化，产生大的挠度，必将改变间隙流场流动性质和传热性能，从而影响屏蔽电机和屏蔽电机主泵的运行。极端情况下会使屏蔽电机过热导致不能运行，可使电机主泵失稳。核电装备中，其稳定性关乎整个设备的安全性，一旦失稳会带来灾难性后果。

在实际运行中，历史上曾经因为屏蔽套事故多发，改用湿定子泵。当前美国EMD公司在AP1000核主泵制造前进行的模拟件实验中有三项关于屏蔽套，其中包括屏蔽套稳定性实验。5/39综上所述，在理论上和实际中，屏蔽套稳定性都是关注点。为此，极有必要对多场共同作用下的屏蔽部件的静、动力稳定性进行研究。分析失稳规律，揭示失稳机理，建立发生失稳的临界条件，确立稳定性准则，为控制失稳提供理论支撑和先期预测，从而为整个设备的安全运行提供技术保障。6/397/39转子屏蔽套定子屏蔽套外部壳体内部圆柱体环肋间隙流场温度场温度场影响屏蔽部件稳定性因素8/39屏蔽部件稳定性几何参数材料参数初始应力边界条件外部载荷间隙流场粘性流动环向流动轴向流动热应力瞬态热响应温度场结构缺陷等效机械载荷失稳机理，临界温度，临界转速和轴速，间隙国内外研究现状（间隙流场）定转子间隙之间流经冷却剂，壳体在轴向流动和环向流动作用下，当流速达到临界值时存在失稳、振动问题，此类问题属于典型的流固耦合（FSI）问题。根据作用于结构的流形，分为横流、内部轴向流动、外部轴向流动、环流或者漏流。

Amabili等人对两端简支的圆柱壳受轴向流动的非线性稳定性问题进行了研究，使用Galerkin方法，得出系统因亚临界叉形分岔而失稳，并分析非线性会使临界失稳流速减小。

Karagiozis，Paidoussis通过对两端固支的圆柱壳在轴向流动作用下的理论和实验研究，使用9/39Galerkin方法和Lagrange方程建立壳体动力方程，得到壳体会发生叉形分岔而失稳。同时，研究了几何参数和透壁压力对失稳机理的影响即由亚临界变为超临界。

Misra等人使用Flugge壳体理论和线性势流理论对错配边界条件的输流壳体进行了研究，证实了简-固或固-简边界系统是保守系统。★以上研究虽然考虑了壳体非线性，但都基于对理想流体研究没有考虑粘性力的作用。10/39

Jayaraj;Firouz-Abadi;Ugurlu和Ergin;Zhang等人基于线性势流理论和薄壳理论，对内部轴流的输流壳体稳定性进行了研究，提出了有限元、边界元和半解析-有限元等数值方法，拓展了解法。但都局限于理想流体，未能考虑粘性力的作用。◆国内学者对内部轴向流动壳体稳定性的研究众多，归纳起来主要集中以下方面。

对力学模型提出一些改进。张立翔等提出全耦合的非线性方程。

提出新的算法。微分求积分、有限元、精细积分法。11/39

开展分岔和混沌研究。金基铎等人；王琳等人；开展了流致结构的非线性动力学的研究。★内部轴向流动的管（壳）是四大经典动力问题之一，含有丰富的动力学行为，得到国内外广泛的关注。结构的建模以梁或者壳模型为主，流体大都基于理想流体，通过无渗流固边界条件建立动力方程，通过解析和数值方法得到失稳条件和失稳机理。12/39环流的影响

Srinivasan；Thomas;使用行波法和实验的方法研究了环流（具有轴向流速和环向流速的）对壳体的稳定性、振动的影响，得到了失稳机理。但未考虑粘性力的影响，没有给出轴向速度和环向速度的相互关系。

Kozarov和Meadenov研究了同轴圆柱壳水弹线性稳定性问题，分析了内部轴向流速和环流轴向流速的影响规律。13/39

Horacek等人对受环流（基于静止流体的假设）作用的同心壳体的振动进行了实验和数值研究，分析了粘度和间隙的大小对振动特性的影响。

Heung等人基于整体湍流理论研究了环流对壳体振动的影响，只考虑轴向流速影响没有考虑环向流速的影响。

Bochkarev和Matveenko使用半解析-有限元方法研究了可压缩理想环流对壳体（具有环向流速和轴向流速）稳定性影响，分析了两个流速分量的相互影响规律和对壳体稳定性的影响，壳体刚度和边界条件对失稳机理的影响。14/39◆国内学者对环流影响结构稳定性的研究较少，孙启国；成德；基于整体流动模型研究了环流对转子动力学影响。

王建立和沈孟育使用Paidoussis提出的模型分析了简-固边界条件下同轴圆柱壳的稳定性，得出边界条件的影响：简-固的临界流速低于固-固的临界流速。

席志德对同心圆筒输送理想流体的动力学进行了研究，分析了影响结构频率的因素。★以上的研究基于理性流体，只考虑了轴向流速。15/39★综上所述，环流易使结构失稳，流体粘性对失稳影响明显，可压缩性对失稳影响较小，环形区尺寸越小，结构越易失稳。目前，针对流壳相互作用（FSI）的计算方法主要有解析法、半解析法和数值法，对流体的建模基于线性势流理论和线性压降理论但流体大都为层流。双壳结构的间隙环流的研究还不充分，存在研究结果不一致甚至矛盾的问题，特别是内外壳之间相互影响的研究更少。而这种结构在工程实际中，特别是核电装备中普遍存在。对其失稳机理的研究，对设备的安全运行至关重要。16/39728资料表明“主泵热分析显示最苛刻的条件是冷启动时丧失设备冷却水瞬态引起定子屏蔽套62℃左右的温升，此时压力约为15.5MPa。主泵在300-1600rpm升速情况下，也可能瞬态将导致61.1℃左右的温升，此时回路压力1.71MPa。由于工况复杂，EMD针对AP1000的定子屏蔽套进行了屈曲试验。针对CAP1400主泵定子屏蔽套，同样也需要考虑定子屏蔽套的热屈曲问题。17/39■温度场（热载荷）的影响18/39

微分算子热载荷HC276热膨胀系数—11.2-12*10^-6/℃温度场T=T(x,y,z,t)的函数，可以是稳态温度场或者非稳态温度场，一维传热还是二维传热？19/39导热微分方程确立边界条件：定子屏蔽套外部热流密度定子屏蔽套内部确立对流换热系数h(1)根据对流传热计算(2)根据努塞尔数Nu文献[1]使用Runge-Kutta法对功能梯度浅球壳在外压和温度场作用下的静、动屈曲进行了分析。温度场设定为稳恒温度场。温度场会使壳体径向位移向外屈曲。[1]DaoHuyBich,DaoVanDung,LeKhaHoa,Nonlinearstaticanddynamicbucklinganalysisoffunctionallygradedshallowsphericalshellsincludingtemperatureeffects.CompositeStructures.20/3921/39文献[2]对输流功能圆柱壳在热-机载荷作用下的动力学特性进行了分析。温度场设定为一维稳态温度场，沿厚度变化：[2]ShenG.G.,WangX.Dynamiccharacteristicsoffluid-conveyingfunctionallygradedcylindricalshellsundermechanicalandthermalloads.CompositeStructures.22/39导温系数23/39★总结：◆目前热-结构耦合形式是根据热弹理论，以应力的形式出现在控制方程中。（是否有更好的形式?）◆温度场的处理：常量，等效机械载荷，一维稳态（非稳态）温度场。◆温度场对稳定性（挠度）影响比较明显，甚至引起热致振动。24/39热致失稳25/39

同轴双壳结构示意图

温度改变时，由于物体的热胀冷缩会改变其形状或尺寸。当变形受到外部约束或者内部变形协调要求不能自由发生时，物体内就会引起附加的应力，称之为温度应力或热应力。由此产生的屈曲为热屈曲。

双壳结构中，极限情况下外部柱壳会有62℃温升，存在热致失稳和临界温升问题。26/39各项同性材料的本构方程包含温度项（以x方向为例）针对均匀温度场情况：外部柱壳轴向伸缩受到限制，周向可以自由移动。因此热应力只有轴向.27/3928/39频率随温升变化29/39温升对轴向失稳流速的影响温升对环向失稳流速的影响

均匀温度场下发散失稳。

温度场的存在，失稳流速显著降低。

温度场的存在，未改变失稳机理。30/3931/39环肋支撑结构屏蔽部件稳定性使用“smearedstiffeners”考虑环肋结构的定子屏蔽套的稳定性方程:32/3933/39Uo=0.0017n=4NostiffenedB34/39Uo=0.0