屏蔽部件穩(wěn)定性研究-05

多場作用下的大型屏蔽電機屏蔽部件穩(wěn)定性研究博士研究生：寧文波指導(dǎo)老師：王德忠教授核電技術(shù)與裝備工程研究中心匯報主要內(nèi)容●研究意義、目的●影響屏蔽部件穩(wěn)定性因素●流體載荷對屏蔽部件穩(wěn)定性影響2/39研究意義及目的

核電具有高效、清潔、安全、穩(wěn)定可靠的特征，已成為世界電力的三大支柱之一。核電要實現(xiàn)高效安全發(fā)展，先進(jìn)可靠的核電技術(shù)成為其基礎(chǔ)和重要支撐。

目前，我國引進(jìn)了美國西屋公司AP1000核電技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上開展CAP1400技術(shù)研發(fā)、1700MWe核電技術(shù)預(yù)研、關(guān)鍵設(shè)備及材料研究。而屏蔽電機主泵是我國當(dāng)前大力發(fā)展的第三代先進(jìn)壓水堆核電站的關(guān)鍵核心設(shè)備，是輕水堆冷卻劑循環(huán)泵（主要有三種：軸封泵、屏蔽泵、濕定子泵）之一。3/39其主要特點是在正常情況下不會產(chǎn)生泄漏，定轉(zhuǎn)子之間有屏蔽套隔開。

工作環(huán)境特殊。

結(jié)構(gòu)特殊?；谄帘沃鞅眯实目紤]，屏蔽部件為大長徑比、厚度很薄的薄壁殼體，已有的殼體理論表明這種細(xì)薄結(jié)構(gòu)容易失穩(wěn)。

載荷條件復(fù)雜。在特殊工作環(huán)境中，復(fù)雜多場共同作用下和可能的運行工況下，屏蔽部件理論上易于失穩(wěn)屈曲甚至?xí)l(fā)生顫振。4/39失穩(wěn)會導(dǎo)致屏蔽部件的構(gòu)型發(fā)生質(zhì)的變化，產(chǎn)生大的撓度，必將改變間隙流場流動性質(zhì)和傳熱性能，從而影響屏蔽電機和屏蔽電機主泵的運行。極端情況下會使屏蔽電機過熱導(dǎo)致不能運行，可使電機主泵失穩(wěn)。核電裝備中，其穩(wěn)定性關(guān)乎整個設(shè)備的安全性，一旦失穩(wěn)會帶來災(zāi)難性后果。

在實際運行中，歷史上曾經(jīng)因為屏蔽套事故多發(fā)，改用濕定子泵。當(dāng)前美國EMD公司在AP1000核主泵制造前進(jìn)行的模擬件實驗中有三項關(guān)于屏蔽套，其中包括屏蔽套穩(wěn)定性實驗。5/39綜上所述，在理論上和實際中，屏蔽套穩(wěn)定性都是關(guān)注點。為此，極有必要對多場共同作用下的屏蔽部件的靜、動力穩(wěn)定性進(jìn)行研究。分析失穩(wěn)規(guī)律，揭示失穩(wěn)機理，建立發(fā)生失穩(wěn)的臨界條件，確立穩(wěn)定性準(zhǔn)則，為控制失穩(wěn)提供理論支撐和先期預(yù)測，從而為整個設(shè)備的安全運行提供技術(shù)保障。6/397/39轉(zhuǎn)子屏蔽套定子屏蔽套外部殼體內(nèi)部圓柱體環(huán)肋間隙流場溫度場溫度場影響屏蔽部件穩(wěn)定性因素8/39屏蔽部件穩(wěn)定性幾何參數(shù)材料參數(shù)初始應(yīng)力邊界條件外部載荷間隙流場粘性流動環(huán)向流動軸向流動熱應(yīng)力瞬態(tài)熱響應(yīng)溫度場結(jié)構(gòu)缺陷等效機械載荷失穩(wěn)機理，臨界溫度，臨界轉(zhuǎn)速和軸速，間隙國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（間隙流場）定轉(zhuǎn)子間隙之間流經(jīng)冷卻劑，殼體在軸向流動和環(huán)向流動作用下，當(dāng)流速達(dá)到臨界值時存在失穩(wěn)、振動問題，此類問題屬于典型的流固耦合（FSI）問題。根據(jù)作用于結(jié)構(gòu)的流形，分為橫流、內(nèi)部軸向流動、外部軸向流動、環(huán)流或者漏流。

Amabili等人對兩端簡支的圓柱殼受軸向流動的非線性穩(wěn)定性問題進(jìn)行了研究，使用Galerkin方法，得出系統(tǒng)因亞臨界叉形分岔而失穩(wěn)，并分析非線性會使臨界失穩(wěn)流速減小。

Karagiozis，Paidoussis通過對兩端固支的圓柱殼在軸向流動作用下的理論和實驗研究，使用9/39Galerkin方法和Lagrange方程建立殼體動力方程，得到殼體會發(fā)生叉形分岔而失穩(wěn)。同時，研究了幾何參數(shù)和透壁壓力對失穩(wěn)機理的影響即由亞臨界變?yōu)槌R界。

Misra等人使用Flugge殼體理論和線性勢流理論對錯配邊界條件的輸流殼體進(jìn)行了研究，證實了簡-固或固-簡邊界系統(tǒng)是保守系統(tǒng)?！镆陨涎芯侩m然考慮了殼體非線性，但都基于對理想流體研究沒有考慮粘性力的作用。10/39

Jayaraj;Firouz-Abadi;Ugurlu和Ergin;Zhang等人基于線性勢流理論和薄殼理論，對內(nèi)部軸流的輸流殼體穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了有限元、邊界元和半解析-有限元等數(shù)值方法，拓展了解法。但都局限于理想流體，未能考慮粘性力的作用?！魢鴥?nèi)學(xué)者對內(nèi)部軸向流動殼體穩(wěn)定性的研究眾多，歸納起來主要集中以下方面。

對力學(xué)模型提出一些改進(jìn)。張立翔等提出全耦合的非線性方程。

提出新的算法。微分求積分、有限元、精細(xì)積分法。11/39

開展分岔和混沌研究。金基鐸等人；王琳等人；開展了流致結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)的研究。★內(nèi)部軸向流動的管（殼）是四大經(jīng)典動力問題之一，含有豐富的動力學(xué)行為，得到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。結(jié)構(gòu)的建模以梁或者殼模型為主，流體大都基于理想流體，通過無滲流固邊界條件建立動力方程，通過解析和數(shù)值方法得到失穩(wěn)條件和失穩(wěn)機理。12/39環(huán)流的影響

Srinivasan；Thomas;使用行波法和實驗的方法研究了環(huán)流（具有軸向流速和環(huán)向流速的）對殼體的穩(wěn)定性、振動的影響，得到了失穩(wěn)機理。但未考慮粘性力的影響，沒有給出軸向速度和環(huán)向速度的相互關(guān)系。

Kozarov和Meadenov研究了同軸圓柱殼水彈線性穩(wěn)定性問題，分析了內(nèi)部軸向流速和環(huán)流軸向流速的影響規(guī)律。13/39

Horacek等人對受環(huán)流（基于靜止流體的假設(shè)）作用的同心殼體的振動進(jìn)行了實驗和數(shù)值研究，分析了粘度和間隙的大小對振動特性的影響。

Heung等人基于整體湍流理論研究了環(huán)流對殼體振動的影響，只考慮軸向流速影響沒有考慮環(huán)向流速的影響。

Bochkarev和Matveenko使用半解析-有限元方法研究了可壓縮理想環(huán)流對殼體（具有環(huán)向流速和軸向流速）穩(wěn)定性影響，分析了兩個流速分量的相互影響規(guī)律和對殼體穩(wěn)定性的影響，殼體剛度和邊界條件對失穩(wěn)機理的影響。14/39◆國內(nèi)學(xué)者對環(huán)流影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究較少，孫啟國；成德；基于整體流動模型研究了環(huán)流對轉(zhuǎn)子動力學(xué)影響。

王建立和沈孟育使用Paidoussis提出的模型分析了簡-固邊界條件下同軸圓柱殼的穩(wěn)定性，得出邊界條件的影響：簡-固的臨界流速低于固-固的臨界流速。

席志德對同心圓筒輸送理想流體的動力學(xué)進(jìn)行了研究，分析了影響結(jié)構(gòu)頻率的因素?！镆陨系难芯炕诶硇粤黧w，只考慮了軸向流速。15/39★綜上所述，環(huán)流易使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，流體粘性對失穩(wěn)影響明顯，可壓縮性對失穩(wěn)影響較小，環(huán)形區(qū)尺寸越小，結(jié)構(gòu)越易失穩(wěn)。目前，針對流殼相互作用（FSI）的計算方法主要有解析法、半解析法和數(shù)值法，對流體的建?；诰€性勢流理論和線性壓降理論但流體大都為層流。雙殼結(jié)構(gòu)的間隙環(huán)流的研究還不充分，存在研究結(jié)果不一致甚至矛盾的問題，特別是內(nèi)外殼之間相互影響的研究更少。而這種結(jié)構(gòu)在工程實際中，特別是核電裝備中普遍存在。對其失穩(wěn)機理的研究，對設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。16/39728資料表明“主泵熱分析顯示最苛刻的條件是冷啟動時喪失設(shè)備冷卻水瞬態(tài)引起定子屏蔽套62℃左右的溫升，此時壓力約為15.5MPa。主泵在300-1600rpm升速情況下，也可能瞬態(tài)將導(dǎo)致61.1℃左右的溫升，此時回路壓力1.71MPa。由于工況復(fù)雜，EMD針對AP1000的定子屏蔽套進(jìn)行了屈曲試驗。針對CAP1400主泵定子屏蔽套，同樣也需要考慮定子屏蔽套的熱屈曲問題。17/39■溫度場（熱載荷）的影響18/39

微分算子熱載荷HC276熱膨脹系數(shù)—11.2-12*10^-6/℃溫度場T=T(x,y,z,t)的函數(shù)，可以是穩(wěn)態(tài)溫度場或者非穩(wěn)態(tài)溫度場，一維傳熱還是二維傳熱？19/39導(dǎo)熱微分方程確立邊界條件：定子屏蔽套外部熱流密度定子屏蔽套內(nèi)部確立對流換熱系數(shù)h(1)根據(jù)對流傳熱計算(2)根據(jù)努塞爾數(shù)Nu文獻(xiàn)[1]使用Runge-Kutta法對功能梯度淺球殼在外壓和溫度場作用下的靜、動屈曲進(jìn)行了分析。溫度場設(shè)定為穩(wěn)恒溫度場。溫度場會使殼體徑向位移向外屈曲。[1]DaoHuyBich,DaoVanDung,LeKhaHoa,Nonlinearstaticanddynamicbucklinganalysisoffunctionallygradedshallowsphericalshellsincludingtemperatureeffects.CompositeStructures.20/3921/39文獻(xiàn)[2]對輸流功能圓柱殼在熱-機載荷作用下的動力學(xué)特性進(jìn)行了分析。溫度場設(shè)定為一維穩(wěn)態(tài)溫度場，沿厚度變化：[2]ShenG.G.,WangX.Dynamiccharacteristicsoffluid-conveyingfunctionallygradedcylindricalshellsundermechanicalandthermalloads.CompositeStructures.22/39導(dǎo)溫系數(shù)23/39★總結(jié)：◆目前熱-結(jié)構(gòu)耦合形式是根據(jù)熱彈理論，以應(yīng)力的形式出現(xiàn)在控制方程中。（是否有更好的形式?）◆溫度場的處理：常量，等效機械載荷，一維穩(wěn)態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）溫度場。◆溫度場對穩(wěn)定性（撓度）影響比較明顯，甚至引起熱致振動。24/39熱致失穩(wěn)25/39

同軸雙殼結(jié)構(gòu)示意圖

溫度改變時，由于物體的熱脹冷縮會改變其形狀或尺寸。當(dāng)變形受到外部約束或者內(nèi)部變形協(xié)調(diào)要求不能自由發(fā)生時，物體內(nèi)就會引起附加的應(yīng)力，稱之為溫度應(yīng)力或熱應(yīng)力。由此產(chǎn)生的屈曲為熱屈曲。

雙殼結(jié)構(gòu)中，極限情況下外部柱殼會有62℃溫升，存在熱致失穩(wěn)和臨界溫升問題。26/39各項同性材料的本構(gòu)方程包含溫度項（以x方向為例）針對均勻溫度場情況：外部柱殼軸向伸縮受到限制，周向可以自由移動。因此熱應(yīng)力只有軸向.27/3928/39頻率隨溫升變化29/39溫升對軸向失穩(wěn)流速的影響溫升對環(huán)向失穩(wěn)流速的影響

均勻溫度場下發(fā)散失穩(wěn)。

溫度場的存在，失穩(wěn)流速顯著降低。

溫度場的存在，未改變失穩(wěn)機理。30/3931/39環(huán)肋支撐結(jié)構(gòu)屏蔽部件穩(wěn)定性使用“smearedstiffeners”考慮環(huán)肋結(jié)構(gòu)的定子屏蔽套的穩(wěn)定性方程:32/3933/39Uo=0.0017n=4NostiffenedB34/39Uo=0.0