一种离心泵动静部件间隙优化设计方法技术

本发明专利技术提供了一种离心泵动静部件间隙优化设计方法，采用反应谱和流固耦合相结合的数值计算方法，将地震力和流体激振力同时考虑，得到了余热排出泵多工况下叶轮口环处和叶轮出口处定量的变形。通过地震反应谱和瞬态流固耦合相结合的计算，采用考虑叶轮由于受到地震力和流体瞬态激振力影响的方法，得到余热排出泵多工况下动静部件间变形的规律，以优化余热排出泵动静部件间隙的设计。所述方法基于地震反应谱分析和流体诱导振动分析，使核电用离心泵动静部件间隙设计更加合理，为离心泵的结构设计提供更准确的计算结果，为核电用离心泵结构的优化设计提供新的设计思路和方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及核电用离心式余热排出泵领域，尤其是。
技术介绍
根据美国PDE数据库的统计数据，全球在近十年间共发生了 6级以上地震1062起，7级以上地震161起，8级以上地震19起。2011年3月14日，由于抗震能力设计不足，日本福岛核电站面临爆炸的危险；2010年伊朗6.5级地震；2008年中国四川地震等。由于地震发生频繁，人们逐渐意识到地震的巨大危险，这些地震摆在工程人员面前，对我们的核电站抗震能力和地震反应分析方法提出了更高要求。核电是一种清洁能源，在一个逐渐强调全球变暖、气候变化的大环境下，大力发展核能以满足电力需求和环境要求，优化能源结构，确保能源安全，已经成为政府和社会各界的共识。余热排出泵是核电站一回路余热排出系统的重要组成部分，是最重要的核电二级设备之一。余热排出泵及其部件要求保持承压特性，完成充水，密封注水，高压安全注水。余热排出泵在核电站安全壳内。在反应堆正常停堆或事故停堆之后带出余热，以维持核电站安全运行。余热排出泵抗震要求为一级，有三个运行工况，流体流动对泵的结构有重要的影响。地震反应研究主要是对建筑结构和桥梁而言，旋转机械的地震反应分析较少。在旋转机械的地震反应分析中，转子旋转未被很好地考虑，转子经常被简化为杆结构。定子部件传递给转子部件的力未能很好的考虑。考虑流体激振力的旋转机械的地震反应分析基本没有，只在容器和其它静止机械中被考虑。考虑流体激振力的地震反应分析基本没有。抗震分析的核心在于考虑地震力作用下，动静部件之间是否存在干涉和摩擦，是否满足设备的完整性和可运行性。到目前为止，地震反应分析均采用数值计算结合部分试验验证的方法。地震力的计算多采用反应谱法，对在安全停堆地震期间的机械进行应力、应变分析，再进行校核。而在现有的地震分析中没有考虑流体激振力，也没有将地震力和流体激振力作用下的变形来指导离心泵结构优化设计的相关报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是为核电用离心泵提供，所述方法基于地震反应谱分析和流体诱导振动分析，使核电用离心泵动静部件间隙设计更加合理，为离心泵的结构设计提供更准确的计算结果，为核电用离心泵结构的优化设计提供新的设计思路和方法。本专利技术解决其技术问题是通过以下技术方案来实现的:，其特征在于，包括以下步骤:(I)结构初步设计:根据离心泵技术要求，初步设计离心泵的结构；(2)计算模型确立:根据初步设计的所述排出泵的结构及离心泵的安装固定方案，利用有限元软件建立所述离心泵动静部件有限元模型；(3)结构静态分析:根据离心泵的结构设计，确定离心泵在事故工况和安全停堆地震工况下的地震载荷，地震载荷作用在底板上，阻尼比是2%，标高为4米，并以该地震载荷、所述余热排出泵的材料属性为输入条件，通过有限元软件对离心泵进行地震作用前的预应力分析，得到预应力；(4)地震谱确定:根据楼层反应谱，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱；(5)模型强度分析:通过有限元软件，将预应力作为初始条件，以拟合的人工地震波作为地震荷载，经过地震反应计算得出离心泵的动部件在地震荷载作用下的变形量；(6)对离心泵流体域进行计算流体力学(CFD)建模，进行实验室条件下的流场计算，并进行外特性试验验证；(7)对动部件采用流固耦合的方法进行流动诱导振动计算，得到动部件受流体激振力作用产生的变形量；(8)组合所述动部件在地震荷载作用下的变形量和动部件流固耦合计算结果，得到离心泵动静部件的相对变形量；(9)根据离心泵动静部件的相对变形，并根据核电抗震设计规范的相关要求，得出动静部件间隙的最小值；(10)动静部件间隙优化设计:通过抗震性能评估校核动静部件间隙是否满足抗震性能，并修正原始动静部件间隙结果；(11)当通过步骤(10)进行优化设计后，动静部件间隙满足抗震性能的可靠度要求后，制造实物样机；(12)对样机进行抗震验证试验，当核电用余热排出泵样机在抗震验证试验中的实测变形量与离心泵在步骤(8)得到的相对变形量之间的误差在允许误差范围内时，产品设计投入生产。优选地，所述步骤(I)中所建立的有限元模型为三维模型。优选地，所述步骤(2)中还包括通过有限元软件和计算流体力学软件对核电用余热排出泵的几何模型简化的过程。优选地，所述步骤(3)中所述的地震载荷包括离心泵的重力载荷、正常运行载荷、最大管道载荷的大小和施加方案。优选地,所述步骤(4)中通过Matlab或Labview拟合出人工地震波及人工地震波反应谱。优选地,步骤(12)中所述的允许误差范围是< 15%。本专利技术更真实的模拟出核电用余热排出泵在SSE地震载荷作用下的运行情况，让核电用余热排出泵的结构设计能满足抗震要求反应谱的强度要求，并考虑流体激振力的影响，利用虚拟样机进行强度校核，可以减少实物样机的抗震试验次数，从而可以缩短研发周期、降低研发成本，让核电用余热排出泵的结构设计更加合理，并且能够进行量化控制。本专利技术采用反应谱和流固耦合相结合的数值计算方法，将地震力和流体激振力同时考虑，得到了余热排出泵多工况下叶轮口环处和叶轮出口处定量的变形。通过地震反应谱和瞬态流固耦合相结合的计算，采用考虑叶轮由于受到地震力和流体瞬态激振力影响的方法，得到余热排出泵多工况下动静部件间变形的规律，以优化余热排出泵动静部件间隙的设计。本专利技术考虑旋转机械受到的地震力和流体作用力来优化离心泵的结构设计，具有创新性和可操作性。本专利技术可以应用于所有核电用离心泵动静部件间隙的优化设计，其具有研发效率高、研发成本低和适用范围广的特点。【附图说明】图1为本专利技术所述离心泵动静部件间隙优化设计方法的流程图。图2为所述核电站对余热排出泵的三维模型。图3为所述核电站对余热排出泵动静部件之间间隙的局部放大图。图4为建立所述计算模型的流程图。图5为地震水平楼层加速度谱。图6为地震竖直楼层加速度谱。图7为余热排出泵流体计算域的网格示意图。图8为所述叶轮口环和叶轮出口处的监测点分布图。图9为地震力和流体激振力共同作用引起的变形图。附图标记说明如下:1-进口法兰，2-蜗壳，3-出口法兰，4-叶轮，5-导叶，6-轴承箱，7_底座，8_后盖板，9-前盖板。【具体实施方式】下面结合附图以及具体实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。本专利技术考察离心泵在安全停堆地震作用下能否保持可运行性，即转动部件与静止部件之间的相对变形小于它们之间的间隙，从而不影响离心泵的正常运转。为优化核电用离心泵动静部件间隙的设计提供新的思路。以某型核电用余热排出泵为例，具体说明本专利技术所述基于地震力和流体激振力的核电用离心泵动静部件间隙优化设计方法，包括以下步骤:步骤一、结构初步设计:根据核电站相关技术要求，对核电用余热排出泵初步结构设计。根据核电站对余热排出泵的功能要求，设计核电用余热排出本泵。本专利技术采用一水平卧式余热排出泵，其三维模型如图2所示，模型主要由定子部件、转子部件和支架组成。流量Qd=WOmV1,扬程Hdes=77m，转速nd=1490rpm，入口直径Ds=270mm，叶轮4出口直径D2=513mm，叶片出口宽度b2=49mm。导叶5用来使流动更均匀。蜗壳2为环形蜗壳，使结构更稳定。轴承箱6作为热屏蔽装置，使电机与泵腔中流体传递的热量隔离。进口法兰I用于连接进口管，出口法兰3用于连接出口本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离心泵动静部件间隙优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）结构初步设计：根据离心泵技术要求，初步设计离心泵的结构；（2）计算模型确立：根据初步设计的所述排出泵的结构及离心泵的安装固定方案，利用有限元软件建立所述离心泵动静部件有限元模型；（3）结构静态分析：根据离心泵的结构设计，确定离心泵在事故工况和安全停堆地震工况下的地震载荷，地震载荷作用在底板上，阻尼比是2%，标高为4米，并以该地震载荷、所述余热排出泵的材料属性为输入条件，通过有限元软件对离心泵进行地震作用前的预应力分析，得到预应力；（4）地震谱确定：根据楼层反应谱，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱；（5）模型强度分析：通过有限元软件，将预应力作为初始条件，以拟合的人工地震波作为地震荷载，经过地震反应计算得出离心泵的动部件在地震荷载作用下的变形量；（6）对离心泵流体域进行计算流体力学（CFD）建模，进行实验室条件下的流场计算，并进行外特性试验验证；（7）对动部件采用流固耦合的方法进行流动诱导振动计算，得到动部件受流体激振力作用产生的变形量；（8）组合所述动部件在地震荷载作用下的变形量和动部件流固耦合计算结果，得到离心泵动静部件的相对变形量；（9）根据离心泵动静部件的相对变形，并根据核电抗震设计规范的相关要求，得出动静部件间隙的最小值；（10）动静部件间隙优化设计：通过抗震性能评估校核动静部件间隙是否满足抗震性能，并修正原始动静部件间隙结果；（11）当通过步骤（10）进行优化设计后，动静部件间隙满足抗震性能的可靠度要求后，制造实物样机；（12）对样机进行抗震验证试验，当核电用余热排出泵样机在抗震验证试验中的实测变形量与离心泵在步骤（8）得到的相对变形量之间的误差在允许误差范围内时，产品设计投入生产。...

【技术特征摘要】
1.一种离心泵动静部件间隙优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)结构初步设计:根据离心泵技术要求，初步设计离心泵的结构； (2)计算模型确立:根据初步设计的所述排出泵的结构及离心泵的安装固定方案，利用有限元软件建立所述离心泵动静部件有限元模型； (3)结构静态分析:根据离心泵的结构设计，确定离心泵在事故工况和安全停堆地震工况下的地震载荷，地震载荷作用在底板上，阻尼比是2%，标高为4米，并以该地震载荷、所述余热排出泵的材料属性为输入条件，通过有限元软件对离心泵进行地震作用前的预应力分析，得到预应力； (4)地震谱确定:根据楼层反应谱，拟合出人工地震波及人工地震波反应谱； (5)模型强度分析:通过有限元软件，将预应力作为初始条件，以拟合的人工地震波作为地震荷载，经过地震反应计算得出离心泵的动部件在地震荷载作用下的变形量； (6)对离心泵流体域进行计算流体力学(CFD)建模，进行实验室条件下的流场计算，并进行外特性试验验证； (7)对动部件采用流固耦合的方法进行流动诱导振动计算，得到动部件受流体激振力作用产生的变形量； (8)组合所述动部件在地震荷载作用下的变形量和动部件流固耦合计算结果，得到离心泵动静部件的相对变形量； (9)根据离心泵动静部件的相对变形，并根据核电抗震设计规范的相关...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓鑫，袁寿其，袁建平，裴吉，司乔瑞，李亚林，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32