核电主泵设计资料

1、一、毕业设计（论文）的课题背景根据国家能源局的数据，2005年世界装机3.74亿千瓦，核电装机占总发电装机的比例全球为9.66%、法国56.21%、韩国26.86%、日本19.00%、德国17.07%、美国10.45%。从1985年起步的中国核电，共建设了11台核电机组，但总装机容量仅为910万千瓦。目前，我国核电中长期规划（2005-2020年）的目标是：到2020年核电运行装机容量争取达到4000万千瓦，在建1800万千瓦。未来三年内中国将开建8个核电站，16台核电机组，装机容量在1000万千瓦以上。这意味着，未来三年的核电建设总量将超过过去23年的总和1。 秦山核电站是我国大陆第一座核电站。于1985年开工建设，1994年投入商业运行。至今已有十多年安全运行的良好业绩。它的建成为我国的核电自主化事业的进一步发展奠定了坚实的基础。但是，当时我国核电站的研制基础相对薄弱，核电抗震规范还没有出台，一些辅助的设备没有考虑抗震要求。广东省深圳的大亚湾核电站是我国引进国外资金、设备和技术的第一座大型商用核电站，也是我国改革开放以来最大的中外合资项目之一。它装有2台单机容量为98.4万千瓦的压

2、水堆核电机组。2套机组分别在1994年2月和5月投入商业运行。但是，大亚湾引进的是法国的技术，多数设备是从国外进口的。直到2005年，我国大陆地区核电装机总容量超过8700MW，虽然有些国产设备，但其反应堆冷却剂循环所用的核主泵电机机组，却没有一台是国产的2。核主泵电机机组设计制造技术在世界上是保密的，而且被发达国家列为“禁运”产品，我国只能依靠本国的科技人才与科技储备自行研发。恰希玛电站300MW核电设备是我国自行设计并且制造的产品，其中哈尔滨电机责任有限公司经过多年努力自行研发成功4700MW核主泵电机，使我国成为世界上第四个自主开发这种产品的国家3。在大力发展核电的今天，我们很有必要去攻克核主泵设计、生产、制造的关键技术，实现核主泵的国产化。核主泵的国产化符合国家政策导向，具有极大的经济和政治意义。 核电站事故具有巨大的危害性，2011年发生的有日本大地震引起的福岛核电站泄漏对日本的经济和生活造成了极大的影响。目前人们对付地震这种自然灾害仍处在预防阶段，核电设备尤其要考虑到这一点。因为关系到广大人民的生命和财产安全，核电站抗震设计要求很高。为了避免放射性灾害，在规划设计阶段就要考

3、虑到可能发生的事故，并且采取明确的保护措施。但是由于核电站的设计要考虑到千年一遇甚至是万年一遇的强震，并且这种强震与其他事故组和发生的概率要更加小得多，在几十年甚至几百年内都难以积累到足够的现场经验，因此，现在核电站没有出现地震事故并不能证明其抗震设计是安全的4。核主泵电机是核主泵结构的动力驱动，相当于人体的心脏。因此，为了保证核主泵结构的正常运行，防止核扩散，对核主泵电机进行抗震有限元分析尤为重要。二、毕业设计（论文）的技术参数（研究内容）阐述核电发展概况以及国内外核安全评价标准，了解核主泵整体结构以及核主泵电机特性，利用有限元软件ANSYS对核主泵在第三类工况和第四类工况下的固有特性进行分析。得到前20阶的频率和振型后，对分析结果做了比较。三、毕业设计（论文）应完成的具体工作1、完成设计论文写作；2、完成相关图纸绘制；3、完成相关外文文献翻译；4、完成答辩。主泵电机介绍1.2.1 核主泵整体结构反应堆冷却剂泵简称为主泵，它是反应堆冷却剂系统的主要设备和压力边界的设备之一。 它的主要功能是在系统充水时赶气；在开堆前循环升温；在正常运行时，确保一回路冷却剂循环以冷却堆芯。核主泵与普通泵

4、的最大区别在于强调压力边界的完整性和在特殊工况下的可运行性，因此对泵的可靠性和安全性提出了更高的要求。为了解核主泵电机的功能和结构，我们需要首先了解核主泵的整体结构。图1.1为轴封式主泵典型结构。图1.1轴封式主泵典型总体结构图如图1.1所示，轴封式主泵主要由机座、泵体、核主泵电机、轴与轴承、叶轮、接线盒和冷却器组成。电机轴由二个径向轴承和一个推力轴承组成，推力轴承放置在飞轮的下方；泵转子只有一个径向轴承，设置在叶轮上方。核主泵电机通过联轴器与泵体连接成一个整体，再通过主法兰上的支架固定在基座上，地震激励由主法兰上的支架传递到核主泵电机和主泵。主泵可分为两大类：屏蔽泵和轴封泵。由于屏蔽泵效率低，材料和制造难度高，维修困难，并且随着核电站安全性和经济性要求的提高，并为适应大容量核电机组的要求，轴封泵取代了屏蔽泵。目前在国内以建成的或正在建的核电站中所采用的主泵都是轴封式的，如大亚湾、岭澳、秦岭二期的主泵机组。核主泵结构的电机轴与泵轴的联系方式有刚性联接（图1.2）和柔性联接两种两种5。图1.2典型的轴密封刚性连接的主泵结构刚性联接是将电机轴与泵轴联接成一体，轴向推力全部由电动机推力轴承承

5、担（也称为三轴承布置），三轴承布置方式又可以采用以下两种不同的方式。一、泵和电机刚性联接，成为一根轴，电机轴由两个径向轴承和一个推力轴承组成。推力轴承放在飞轮下面，泵转子只有一个径向轴承，设置在叶轮上面，用水润滑（图1.3）；图1.3三轴承布置的第一种方式二、泵和电机是刚性联接的，成为一根轴，电机轴由两个径向轴承和一个推力轴承组成，径向或推力轴承可放在飞轮的上方，也可设置在飞轮的下方，泵转子只有一个径向轴承，设置在叶轮上面，用水润滑（图1.4）。图1.4三轴承布置的第二种方式柔性联接是电机轴与泵轴采用套筒式鼓形齿或其他联轴器联接，轴向推力由电动机和主泵的推力球轴承分别承担（也称为四轴承布置），此种联接方式中，泵转子和电机轴是用联轴器分开的，每根轴各自设计一个推力轴承和两个径向轴承（图1.5）。图1.5四轴承布置模型的简化 由于核主泵电机通过联轴器与泵体连接成一整体，再通过主法兰上的支架固定在基座上，地震激励由主法兰上的支架传递到核主泵电机和主泵。因此，对核主泵电机的抗震分析，必须考虑主泵结构，只是最后分析的结果集中在核主泵电机上。 轴封式主泵主要由机座、泵体、核主泵电机、轴与轴承、叶轮

6、、接线盒和冷却器组成。采用三轴承布置方式，电机轴由两个径向轴承和一个推理球轴承组成，推力球轴承放在飞轮的下面，泵转子只有一个径向轴承，设置在叶轮的上面。由于主泵整体结构复杂，在有限元建模时做了相应的简化：一、 将具有相同截面的转子或定子部分简化为一根梁，用BEAM4416单元模拟，赋予BEAM44单元与该截面相关的弹性模量、面积与惯性矩；二、 计算该梁的质量、质量重心与转动惯量，用集中质量单元MASS21模拟；三、 考虑轴承运行时的油膜刚度，主法兰上的支架刚度，抗震板的抗震刚度，用COMBIN40单元模拟；四、 对于排出管与吸入管的刚度模型用单元MATRIX27来模拟。基于上述简化，本论文主要是针对核主泵电机的主体结构进行分析，未对诸如润滑液管道及其支承件、散热片等附件或非重要结构件建立结构模型。2.2.2 模型介绍 基于上一节模型的简化，可得到核主泵有限元模型示意图（图2.1所示）。图2.1中的数字序号为ANSYS有限元建模时关键点序号，指引线标出的数值指代该关键点的Z轴坐标值。图2.1 核主泵有限元模型示意图表2.1与表2.2详细说明了核主泵有限元模型示意图中主泵结构定子和转子关键

7、点所代表的部件，定子与转子关键点大都在XZ平面内（所谓定子，指主泵运行时固定不动的零部件结构；所谓转子，指主泵运行时转动的零部件结构。）表2.1 有限元模型定子关键点说明关键点号关键点说明关键点号关键点说明1上导轴承主轴13排出轴1 - 2上轴承13 - 14涡壳下部2上支撑底板14吸入装置2 - 3上机架中间挡筒2 - 41上止推轴承3电机框架顶部密封41上止推轴承主轴3 - 4框架上部42 - 11密封壳4磁轴11热屏上密封4 - 5框架下部11 - 44热屏上部5电机框架底部密封44泵轴承主轴5 - 6下导轴承顶部44 - 45热屏下部6下导轴承主轴45热屏底部6 - 7下轴承下部12 - 47扩散器顶部7电机支架上密封47 - 48扩散器中部7 - 8电机支架上部48 - 49扩散器底部8电机支架上开口22 - 26油冷却器8 - 9电机支架开口3 - 203 - 2121 - 28无质量刚性单元9电机支架下开口9 - 10电机支架下部10电机支架下密封20 - 2727 - 2328 - 24油冷却器支架（无质量）10 - 11主法兰11热障上密封11 - 12扩散器2021

8、2728油冷却器联接点12涡壳上密封12 - 13涡壳上部表2.2 有限元模型转子关键点说明关键点号关键点说明关键点号关键点说明30飞轮轴36主轴下部密封31上导轴承主轴37密封壳32下凹口38泵轴承主轴33磁轴39叶轮34下导轴承主轴40下叶轮35主轴上部密封根据对主泵结构的实测，得到核主泵各个部件的几何参数和物理参数。模型单元的长度、质量、转动惯量、质心位置、极惯性矩、截面面积、弹性模量、轴承油膜刚度和支架垂直刚度都由实测得到。油冷却器不是一个相对主泵转轴的回转结构，需要考虑其空间坐标；支架的主要作用是支撑核主泵的总体结构，采用三支架的形式，也需要考虑其空间坐标。油冷却器及支架关键点的空间坐标见表2.3。支架与排出轴、吸入轴的示意图见图2.2。表2.3 油冷却器及支架关键点坐标关键点号X (m)Y (m)Z (m)200.369-0.9295.383210.376-1.3024.113270.369-1.3265.383280.369-1.3264.113230.266-1.7125.383240.266-1.7124.113511.52500.91352-1.07851.07850.91353-1.0785-1.07850.9135101.52500520-1.07851.07850530-1.0785-1.07850图2.2 支架与排出轴、吸入轴示意图根据实测数据，轴承油膜刚度及抗震板刚度见表2.4；表2.4 轴承油膜刚度及抗震板刚度轴承名称轴承刚度 第三类工况第四类工况上导向轴承（PGS）3.5E97.5E9下导向轴承（PGI）1.7E93.9E9泵轴承（PP）5E85E9止推轴承（BV）1.6E91.6E9抗震板（SB）1.78E94.0E9支架垂直刚度（KV）8E98E92.2.3 施加约束及计算工况主泵通过支架与地基固接，约束与地基相接的三个关键点510、520、530所有自由度；约束主法兰关键点12的UX、UY、ROTX、ROTY、ROTZ五个方向的自由度；固定约束吸入管与排出管的末端关键点14与60；耦合模拟轴承的弹簧单元两端关键点绕X与Y轴的转动自由度。核主泵电机属于3级设备

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