带工质情况下泵的抗震性能计算分析

引言

泵用于实现流体的定向输送,是核电站系统中常见的关键设备。泵进行抗震分析的目的在于确保泵在地震载荷、自重载荷、接管载荷、内压等载荷共同作用下保持结构完整性和可运行性。

目前,国内外采用的抗震分析方法有等效静力法、反应谱法和时程分析法,这三种方法根据结构物与地震之间的动力特性和时程关系进行区分,根据实际计算要求和条件分别适用。近年来,学者对于泵类抗震分析主要是采用反应谱法和等效静力法,将泵模型简化为质点系模型;也有学者采用三维实体模型进行分析。

通常情况下,泵的抗震数值分析均采用不带有液体工质的泵体模型,不考虑泵内工质对计算结果的影响。但实际上,泵在运行或热备用工况下,泵体内始终充满液体工质,是一种泵体加液体工质的混合状态。本文采用泵体加内部液体工质的混合模型进行抗震分析,将结算结果与常规不带液体的泵体模型计算结果进行比较,并分析和评估不同的模型选择对抗震计算结果的影响。

1计算模型

1.1泵模型结构

计算对象为卧式单级单吸轴进径出式碳钢离心泵。本文采用solidworks软件按原尺寸分别对泵体、转子、轴、机械密封、轴承箱体、支脚、泵盖、前后轴承压盖等部件进行造型和建模,并对部件局部复杂结构适当简化后进行组合,泵体模型及剖面结构如图1所示。

该泵由380V空冷电机驱动,放置于室内。额定扬程为28m,额定流量为220m3/h,最小流量为154m3/h,最大流量为264m3/h,转速不超过3000r/min。系统设计压力为1MPa,设计温度为60℃。泵组正常运行环境压力为大气压力,正常运行环境温度为0~45℃,事故状态下最高环境温度为60℃。输送工质为加磷酸钠的核岛除盐水。计算模型各部件使用的材料如表1所示。

该泵在事故工况下须迅速启动,为其他系统提供冷却水和轴封水,因此实际工作过程中泵内部一直充满工质。图2为考虑泵内流体工质的混合模型。

1.2网格无关性验证

反应谱法是将振型组合以得到地震响应,固有频率以及相应的振型是本文研究关注的对象。本文以模态分析得到的第一阶固有频率作为网格无关性验证的评判指标。网格无关性验证相关计算结果如图3所示。

在泵内不含流体工质时,泵体网格数量超过40万后,其第一阶固有频率的计算结果不再随网格数量增加而变化(如点实线所示),即网格数量为40万时可满足计算精度要求。在泵内充满流体工质时,网格数量超过50万后,其第一阶固有频率的计算结果相对稳定(如点虚线所示),即在网格数量为50万时可满足计算精度要求。因此,本文对于充满流体工质的泵网格划分数量为50万。

2地震响应谱分析

地震响应谱分析以模态分析为基础,需要将地表震动引起的振型与结构自身固有频率对应的振型采用一定的组合方式来进行叠加,从而得到最终的应力响应与位移响应。

2.1泵体模型

2.1.1模态分析

模态分析时,泵转子与定子间的接触类型选为一般的刚性接触。泵体的支撑由三个支脚与底座相连接实现,本文忽略地脚螺栓结构,将支脚底面的约束条件设置为固定约束:忽略联轴器及电机,将轴与联轴器相接触的部分约束条件设置为圆柱体约束并约束轴向位移:对于接管约束,由于模型忽略了输口和出口法兰及与法兰相接的管道,但是在管道上的支撑不能忽略,因此对输水口和出水口采用远端位移约束,且沿轴向方向约束位移。

计算得出泵的第一阶固有频率为351.88Hz,远大于50Hz的地震谱频率。只有当结构物的固有频率比地震动频率大很多时,结构物在地震时才可能几乎不产生变形而可以被当作刚体,静力分析法才能成立。因此,静力分析法在本文泵体模型中适用。

2.1.2地震响应谱分析结果

图4为当地加速度地震谱,分为垂直方向和水平方向。为找出最严重的情况来做应力评定,本文将考察地震谱在不同角度~输时的应力和位移响应。对于垂直方向加速度有上下两个方向,而对于水平方向则以3正方向为基准按每间隔一定的角度~输一组水平方向地震谱。

地震谱阻尼比为3%,响应组合方式采用SRSS方法,谱分析方法采用单点响应谱分析法。其中,地震谱~输角度为水平方向与3方向的夹角。

在泵体模型情况下,抗震计算结果如表2所示。

2.2混合模型

2.2.1模态分析

混合模型计算的边界条件与上一节中的泵体模型设置一样,不同的是内部工质液体与固体间的接触设置为没有法向分离。计算得出泵的第一阶固有频率为405.54Hz。

2.2.2地震响应谱分析结果

在相同的地震谱~输条件下,响应组合方式采用SRSS方法,谱分析方法仍采用单点响应谱分析法。

在混合模型情况下,抗震计算结果如表3所示。

2.2结果对比

对比表2与表3所示的响应谱分析数据,壳体模型和混合模型的计算结果有明显差异,其中最大应力位置发生变化,最大应力数值前者明显大于后者(约2R4倍),最大位移值略大但比较接近。

对于不带有液体工质的情况,泵最大应力位置在叶轮叶片根部,最大位移位置在叶轮轮盖侧边和泵体出水口处。对于泵充满了液体工质的情况,最大应力位置出现在泵体外壳与支脚连接处,最大位移响应位置仅出现在泵体出水口处。

3等效静力法分析

3.1边界条件及输入载荷设置

转子和定子之间设为线性接触,即在切向上可自由滑动。其他部件之间接触定义为一般刚性接触,即无相对位移,接触部分可看做共用节点。

边界条件为底部支脚固定约束,忽略联轴器后将轴与联轴器相接触的部分约束条件设置为圆柱体约束并设置为轴向固定,对于接管约束,采用远端位移约束且沿轴向方向约束位移。

输入载荷为自重载荷、地震载荷和接管载荷。自重载荷通过重力加速度的形式输入。地震载荷通过加速度的形式输入,方向设置分为垂直方向和水平方向,垂直方向分上下两个方向,水平方向按一定角度间隔设置,数值大小取为地震加速度谱的最大值。接管载荷是施加在泵入水口和出水口上的载荷,通过力和力矩的形式输入。

3.2等效静力法计算结果

泵体模型与混合模型的边界条件与输入载荷的设置基本一致,唯一不同的是混合模型包含泵与泵内流体工质两种自重载荷。两种模型的计算结果分别如表4、表5所示。

由表4与表5的静力分析结果比较可知,所有最大应力计算值均远远小于材料的许用应力值,发生在转子与定子之间的最大位移值也小于转子和定子的间隙值。不带有流体工质泵的最大应力位置在叶片根部,应力值整体高于混合模型,而混合模型的最大应力则出现在支脚与泵壳连接处,个别点的最大应力计算值在相同条件下大于泵体模型[如0o(y-)方向和0o(y+)方向]。一方面,这是由于液体工质相对于空气而言,具有更大的密度和黏性,可产生更有效的缓冲作用,包裹叶轮的液体工质降低了应力与位移响应。另一方面,液体工质同时也提供了更大的重力,所以使得支脚与泵壳连接处的应力值变大。

从安全性分析角度来看,采用泵体模型并不能在所有维度上覆盖,混合模型可能在某些方面计算获得更高的参数数值。此外,由计算可知地震谱输入方向的改变对计算结果有明显的影响,其中水平方向的改变影响较大。因此,载荷加载方向也是抗震分析的重要影响因素,具体情况还受到计算模型具体结构的影响。

4结论

(1)采用反应谱法和等效静力法两种方法,分别对不含流体工质的泵体模型和含流体工质的混合模型进行抗震分析计算,结果均表明该泵在地震载荷下能够保证其结构和功能的完整性。

(2)采用泵体模型计算的最大位移值普遍大于混合模型的计算结果。泵体模型的最大响应位置为叶轮等泵体关键位置,混合模型的最大响应位置则为泵体出水口位置。

(3)泵内是否充满液体工质以及载荷的加载方向对计算结果具有一定影响。因此,对此类型的泵进行抗震计算与分析时,若基于泵体模型的计算结果远小于破坏极限值,则可认为抗震校核成功:若基于泵体模型的计算结果接近破坏极限值,则可考虑添加流通域,采用混合模型进行进一步校核计算,同时考虑载荷加载方向对计算结果的影响,以获得更加精确的抗震校核计算结果。