大型屏蔽電機主泵立式浸液轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性研究.pdf

1、大型屏蔽電機主泵是我國當前大力發(fā)展的第三代先進壓水堆核電站AP1000的關鍵核心設備。作為核島內(nèi)不間斷動力源，屏蔽電機主泵驅(qū)動反應堆冷卻劑在反應堆一回路內(nèi)循環(huán)，要求在60年超長使役時間內(nèi)，能經(jīng)受各種極端工況考驗，安全可靠運行。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為屏蔽電機主泵的關鍵核心部件,其動力學特性直接關系著屏蔽電機主泵的工作效率、可靠性和壽命。
　　屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)采用立式布置，轉(zhuǎn)子浸沒在定、轉(zhuǎn)子屏蔽套間的狹長間隙流動中，并安裝有兩個大轉(zhuǎn)動慣量的

2、飛輪。已有研究表明：飛輪產(chǎn)生明顯的陀螺效應，間隙環(huán)流引起流體激振，立式轉(zhuǎn)子系統(tǒng)容易產(chǎn)生液膜渦動失穩(wěn)。屏蔽電機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的上述設計特點將引起轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降，導致轉(zhuǎn)子振動過大，甚至轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，對屏蔽電機主泵的安全可靠運行造成潛在威脅。因此，屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學安全性引起國內(nèi)外高度關注。
　　屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到多種非線性激勵作用，為復雜的非線性動力學系統(tǒng)。多種激勵下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動力學問題為轉(zhuǎn)子動力學領域公認的難點。由于A

3、P1000關鍵技術的嚴格保密，目前國內(nèi)外對屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性的認識還很缺乏。屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學安全評估已成為核科學與工程領域的重點和難點工作。本文圍繞屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學安全評估展開工作，通過對屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動力學特性的研究，將掌握屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模及動力學分析方法，獲得屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學響應規(guī)律及狀態(tài)判斷方法，最終為屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能預測和安全評估提供理論依據(jù)和技術手段。<

4、br>　　本文研究工作受到國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）項目《核主泵制造的關鍵科學問題》（2009CB724300）的資助。根據(jù)課題研究目標要求，本文主要開展以下研究工作：
　　1）基于ANSYS建立了屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分布參數(shù)模型；利用ANSYS的APDL語言進行二次開發(fā)，生成了包含陀螺效應的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)動力學分析程序，研究了陀螺效應對屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速及振型和質(zhì)量不平衡響應的影響，評估了屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系

5、統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下的動力學安全性。
　　2）基于湍流整體流動模型和攝動分析，獲得了間隙環(huán)流的攝動方程；通過對攝動方程的推導求解，建立了屏蔽電機主泵內(nèi)間隙環(huán)流的動力學模型，研究了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子偏心和定、轉(zhuǎn)子壁面摩擦效應對間隙環(huán)流動力學特性的影響；通過低雷諾數(shù)法的 CFD數(shù)值計算，驗證了湍流整體流動模型和間隙環(huán)流動力學模型的有效性。
　　3）建立了屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的集總參數(shù)模型；考慮軸承和間隙環(huán)流的非線性激勵，采用Riccati傳遞

6、矩陣法和Newmark-β數(shù)值積分法相結(jié)合，建立了屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性瞬態(tài)動力學計算程序；通過非線性數(shù)值方法研究了屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸承和間隙環(huán)流激勵下的非線性動力學響應規(guī)律和失穩(wěn)規(guī)律，提出了改進屏蔽電機主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的設計要求。
　　4）針對目前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中Lyapunov指數(shù)計算方法在重構(gòu)相空間和計算效率方面的缺點，提出了一種改進算法；通過實例轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)值計算和實驗分析驗證了本文改進算法的計算精度；討論了嵌入維