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核安全二級(jí)離心泵臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

文檔作者：楊永彬陳躍嚴(yán)文澤宋雙文檔來(lái)源：大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年04月27日
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核安全二級(jí)離心泵
臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析
大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司(遼寧”6031)楊永彬陳躍嚴(yán)文澤宋雙
【摘要l基于有限元仿真平臺(tái)，采用六面體與
四面體組合網(wǎng)格離散三維幾何模型，對(duì)大連深藍(lán)泵業(yè)有
限公司自主研發(fā)的核安全二級(jí)RcV上充泵轉(zhuǎn)子部件進(jìn)行
了模態(tài)仿真分析，獲得了轉(zhuǎn)子部件模態(tài)振型及臨界轉(zhuǎn)
速。將該轉(zhuǎn)子模態(tài)振型及臨界轉(zhuǎn)速，與基于激振法開(kāi)發(fā)
的cras模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)得的振型和，臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行了比
較，兩者之間吻合度高。表明基于有限元的模態(tài)仿真分
析與基于Cras的模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)對(duì)模態(tài)振型與臨
界轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確獲得，在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)及抗震分析中有廣
闊前景。
【關(guān)鍵詞l離心泵有限元激振法模態(tài)分
析核安全二級(jí)
一，前言
轉(zhuǎn)子是核安全二級(jí)上充泵的重要組成部件，工作
中處于4 500r／min的高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡
量的作用，產(chǎn)生以離心力為表征的周期性干擾力，從而
引起轉(zhuǎn)子的彎曲振動(dòng)(或稱(chēng)為橫向振動(dòng))。如果這種強(qiáng)
迫振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子的彎曲固有頻率接近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)
共振現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子在引起共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速。如
果轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子部件變形將迅速
增大，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和異響，甚至轉(zhuǎn)子斷裂脫落，造成
事故。
另一方面，由于核安全二級(jí)上充泵是化學(xué)和容積
控制系統(tǒng)(RCV)的組成部分，給反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)提
供上充水，以維持穩(wěn)壓器中正常液位。為了驗(yàn)證上充泵
在運(yùn)行基準(zhǔn)地震和安全停堆地震期間或之后能保證結(jié)構(gòu)
的完整性和可運(yùn)行性。必須對(duì)該泵進(jìn)行抗震分析與激振
GM甚用觚■
www．etyjX．com 2013年第6期
頻率測(cè)試，以滿(mǎn)足大于當(dāng)?shù)氐牡卣鸱磻?yīng)譜中33Hz的要
求。
=、模態(tài)分析的理論基礎(chǔ)
轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程：
[^幻{工”(力)+[c】{工’(f))+【圈(X(f))=礦(力} (1)
式中[^幻——質(zhì)量矩陣；
【c]——阻尼矩陣；
【豳——?jiǎng)偠染仃嚕?
Ⅳ(f))——加速度；
Ⅳ(f)}—速度；
{X(f)1——位移；
【廠(力}——激勵(lì)力矢量。
令激勵(lì)力礦(f))={F)一?，位移{工(力)={X}ej?，可
得：
(一∞2[MI+jw[c]+[圈){X)={F} (2)
考慮系統(tǒng)為無(wú)阻尼系統(tǒng)，外力等于零，求出自由
振動(dòng)齊次解：
I一0J 2[M+【豳I(mǎi)=0 (3)
可得n個(gè)特征值02 r2(r=1，2，?，n)，其平方
根∞，即為系統(tǒng)的固有頻率，此外，與固有頻率一一對(duì)
應(yīng)，并滿(mǎn)足：
(一(c，2[MI+[E1)(≯，}=0 (4)
式中{≯，卜一系統(tǒng)的振動(dòng)模態(tài)或模態(tài)向量，r=1，2，
?，n。
三，有限元仿真計(jì)算
(1)模型的建立根據(jù)上充泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，
辨～ 辦而通葡用面祝一． 然
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
簡(jiǎn)化模型。首先建立轉(zhuǎn)予的三維實(shí)體模型(見(jiàn)圖1)，
然后再采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元和10節(jié)點(diǎn)四面體單元組合
離散模型(見(jiàn)圖2)。劃分單元總數(shù)為84 932，節(jié)點(diǎn)數(shù)
43 451。
圖1 RCV轉(zhuǎn)子仿真幾何模型
圖2 RCV轉(zhuǎn)子仿真有限元模型
(2)材料假設(shè)假設(shè)轉(zhuǎn)子材質(zhì)是連續(xù)的、均勻的
和各向同性的，在載荷作用下，部件發(fā)生小變形，處
于線性彈性范圍。查詢(xún)((ASME鍋爐及壓力容器》及
Rcc—M一附錄Zm300，得到參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 RCV上充泵轉(zhuǎn)子材料物理特性
彈性模量泊松比密度PI 許用應(yīng)力
部件材料刪Pa (kg／m3) l口】／MPa
軸Z5CNDl3．04 200 0．3 7 850 187．5
葉輪316 191 0．29 7 850 12I．5
(3)約束條件根據(jù)泵軸上的實(shí)際情況，在分析
中不考慮軸承的剛度，其中左端水潤(rùn)滑軸承處約束徑向
自由度，中間軸承套處也約束徑向自由度，右端軸承處
約束軸向和徑向自由度。
(4)計(jì)算輸出有限元計(jì)算轉(zhuǎn)子模態(tài)位移如圖
3、圖4所示。可得轉(zhuǎn)子一階固有頻率廠1=l 13．92Hz，二
階固有頻率^=1 96．63 Hz。對(duì)應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速t'／。=60f,
=6 835r／min，二階臨界轉(zhuǎn)速／'／。，l=6Q正=11 798dmin。
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圖3 RCV轉(zhuǎn)子仿真一階模態(tài)
≥．榔之棒，．^、
圖4 RCV轉(zhuǎn)子仿真二階模態(tài)
四、Cras激振頻率測(cè)試
(1)模型的建立根據(jù)上充泵轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及
激振法測(cè)試固有頻率的原理，簡(jiǎn)化模型，根據(jù)Cras軟件
提供的建模平臺(tái)，建立如圖5所示轉(zhuǎn)子模型，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
圖6所示。
圖5 RCV轉(zhuǎn)子激振測(cè)試幾何模型
1it6 RCV轉(zhuǎn)子固有頻率激振測(cè)試
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
(2)測(cè)試方案及儀器和軟件模態(tài)測(cè)試采用
AZ308數(shù)據(jù)采集箱，AZ804信號(hào)調(diào)理儀，CA—YD一
109B振動(dòng)加速度傳感器，敲擊錘；MaCras機(jī)械及結(jié)構(gòu)
模態(tài)分析軟件。測(cè)試方案見(jiàn)表2。
表2 RCV上充泵轉(zhuǎn)子激振頻率測(cè)試方案
采集測(cè)量總幾何約束總測(cè)量
測(cè)試方案
通道數(shù)方向節(jié)點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)自由度
激振器激勵(lì)，固
2 Z 504 44l 63
定測(cè)量移動(dòng)激勵(lì)
(3)測(cè)試結(jié)果測(cè)試頻響函數(shù)幅值集總平均如圖
7所示，圖8為模態(tài)，包含振型、頻率及阻尼?？傻棉D(zhuǎn)子
一階固有頻率^=104．629Hz，對(duì)應(yīng)臨界轉(zhuǎn)速九州=6嘶=
6 278r／min。
圖7 RCV頻響函數(shù)幅值集總平均圖
Hz
圖8 RCV激振測(cè)試一階模態(tài)
五、仿真與測(cè)試對(duì)比分析
基于有限元仿真平臺(tái)計(jì)算的轉(zhuǎn)子一階固有頻率為^
=1 13．92Hz，利用Cras模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)獲得的轉(zhuǎn)子一
階固有頻率為廠l=104．629Hz。兩者的振型一致，固有
頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作轉(zhuǎn)頻75Hz與地震反應(yīng)譜中的33Hz，
且兩者之間的誤差為8．9％，最后分析仿真數(shù)據(jù)大于試
驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是符合實(shí)際情況的。因?yàn)樵诜抡婕s束假設(shè)
時(shí)，軸承簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支支撐，提高了軸承的支撐剛度，
76然嬲：：l：Ⅲ伸期
如果考慮軸承的剛度，兩者的數(shù)據(jù)會(huì)更接近，誤差會(huì)更
小。但是目前大多學(xué)者對(duì)軸承支撐剛度的精確計(jì)算還沒(méi)
有一個(gè)快捷、簡(jiǎn)便的方法，本文對(duì)軸承支撐剛度的計(jì)算
不做細(xì)致討論。
六、結(jié)語(yǔ)
1)以有限元仿真計(jì)算平臺(tái)，對(duì)大連深藍(lán)泵業(yè)有限
公司自主研發(fā)的核安全二級(jí)RCV上充泵的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了模
態(tài)仿真計(jì)算，獲得了該轉(zhuǎn)子的模態(tài)振型及固有頻率。這
表明有限元計(jì)算方法仿真轉(zhuǎn)子模態(tài)的方法實(shí)用、方便、
快捷，作為一個(gè)很重要的輔助設(shè)計(jì)手段，可以廣泛應(yīng)用
于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。
2)本文在有限元仿真模態(tài)的基礎(chǔ)上，還利用基于
激振法開(kāi)發(fā)的Cras；．壩1]振系統(tǒng)實(shí)測(cè)了轉(zhuǎn)子的模態(tài)，獲得了
轉(zhuǎn)子的振型及固有頻率。這表明基于激振法開(kāi)發(fā)的Cras
測(cè)振系統(tǒng)在模態(tài)測(cè)試中能為工程技術(shù)人員提供基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)，在抗震分析和工程應(yīng)用中的應(yīng)用前景廣闊。
3)本文最后比較了仿真模態(tài)與Cras實(shí)測(cè)模態(tài)，結(jié)果
顯示兩者的振型一致，固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作轉(zhuǎn)頻75Hz
與地震反應(yīng)譜中的33Hz，而且兩者之間的誤差為8．9％。
這表明大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司自主研發(fā)的核安全二級(jí)
RCV上沖泵轉(zhuǎn)子固有頻率是完全滿(mǎn)足《技術(shù)規(guī)格書(shū)》中
的要求，為產(chǎn)品的進(jìn)一步應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
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