大型屏蔽電機(jī)主泵立式浸液轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、大型屏蔽電機(jī)主泵是我國當(dāng)前大力發(fā)展的第三代先進(jìn)壓水堆核電站AP1000的關(guān)鍵核心設(shè)備。作為核島內(nèi)不間斷動(dòng)力源，屏蔽電機(jī)主泵驅(qū)動(dòng)反應(yīng)堆冷卻劑在反應(yīng)堆一回路內(nèi)循環(huán)，要求在60年超長使役時(shí)間內(nèi)，能經(jīng)受各種極端工況考驗(yàn)，安全可靠運(yùn)行。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作為屏蔽電機(jī)主泵的關(guān)鍵核心部件,其動(dòng)力學(xué)特性直接關(guān)系著屏蔽電機(jī)主泵的工作效率、可靠性和壽命。
　　屏蔽電機(jī)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(dòng)中，并安裝有兩個(gè)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的

2、飛輪。已有研究表明：飛輪產(chǎn)生明顯的陀螺效應(yīng)，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(dòng)失穩(wěn)。屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的上述設(shè)計(jì)特點(diǎn)將引起轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)過大，甚至轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，對(duì)屏蔽電機(jī)主泵的安全可靠運(yùn)行造成潛在威脅。因此，屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)安全性引起國內(nèi)外高度關(guān)注。
　　屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)受到多種非線性激勵(lì)作用，為復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。多種激勵(lì)下轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)問題為轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的難點(diǎn)。由于A

3、P1000關(guān)鍵技術(shù)的嚴(yán)格保密，目前國內(nèi)外對(duì)屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)還很缺乏。屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)安全評(píng)估已成為核科學(xué)與工程領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)工作。本文圍繞屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)安全評(píng)估展開工作，通過對(duì)屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究，將掌握屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模及動(dòng)力學(xué)分析方法，獲得屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律及狀態(tài)判斷方法，最終為屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的性能預(yù)測和安全評(píng)估提供理論依據(jù)和技術(shù)手段。<

4、br>　　本文研究工作受到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目《核主泵制造的關(guān)鍵科學(xué)問題》（2009CB724300）的資助。根據(jù)課題研究目標(biāo)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(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的分布參數(shù)模型；利用ANSYS的APDL語言進(jìn)行二次開發(fā)，生成了包含陀螺效應(yīng)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)分析程序，研究了陀螺效應(yīng)對(duì)屏蔽電機(jī)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(yīng)的影響，評(píng)估了屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系

5、統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下的動(dòng)力學(xué)安全性。
　　2）基于湍流整體流動(dòng)模型和攝動(dòng)分析，獲得了間隙環(huán)流的攝動(dòng)方程；通過對(duì)攝動(dòng)方程的推導(dǎo)求解，建立了屏蔽電機(jī)主泵內(nèi)間隙環(huán)流的動(dòng)力學(xué)模型，研究了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子偏心和定、轉(zhuǎn)子壁面摩擦效應(yīng)對(duì)間隙環(huán)流動(dòng)力學(xué)特性的影響；通過低雷諾數(shù)法的 CFD數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了湍流整體流動(dòng)模型和間隙環(huán)流動(dòng)力學(xué)模型的有效性。
　　3）建立了屏蔽電機(jī)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(lì)，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(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的非線性瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序；通過非線性數(shù)值方法研究了屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在軸承和間隙環(huán)流激勵(lì)下的非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律和失穩(wěn)規(guī)律，提出了改進(jìn)屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求。
　　4）針對(duì)目前轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中Lyapunov指數(shù)計(jì)算方法在重構(gòu)相空間和計(jì)算效率方面的缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)算法；通過實(shí)例轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文改進(jìn)算法的計(jì)算精度；討論了嵌入維