核电站用离心风机抗震性能分析

DVH系统离心风机应用于核电厂工程, 必须在设计过程中要求风机和支撑构件在各种力的组合作用下始终能保持结构的安全性和完整性。为此, 需要分析该离心风机抗震性能, 以验证其工作安全性。

1. DVH系统离心风机结构描述

DVH系统离心风机结构主要由机壳组件、进风口、出风管、轴套、叶轮、轴、集油装置和密封装置等组成, 总设计质量约为636.8kg。风机机壳底板由6个M18螺栓与地面锚固。离心风机壳体材料主要是Q235B, 叶轮组件采用Q345B材料, 螺栓为8.8级, 铆钉材料为ML2。

2、构简化及计算模型

建立计算模型采用的坐标系统 (X、Y、Z) 如下定义:取机壳底板长边方向为X向, 高度方向为Y轴方向, 机壳底板短边方向为Z轴方向。离心风机结构的主要受力部件机壳组件、进风口、轴套、叶轮、出风管均采用壳体单元SHELL63模拟;转轴、叶片支撑圆钢用BEAM188, 不模拟其截面形状和刚度。离心风机结构计算模型共计单元数12409, 节点数12560, 计算总重量约655.37kg。

3. 模态分析

计算离心风机结构前2 5 0阶模态, 频率值介于24.98~571.59Hz, 其中X、Y、Z三个方向主导模态频率分别为33.34Hz、76.09Hz、27.43 Hz, 以下表给出系统前5阶、第12阶模态频率值及其振动特征和结构前200阶模态总参与质量。

4. 荷载、荷载组合及边界条件

4.1 重量荷载 (DW)

DVH系统离心风机结构及其附属连接件自重, 重力加速度取值g=9.81m/s2。

4.2 压力 (Po)

风机运行时的设计风机静压为105da Pa;

4.3 运行荷载 (OL)

风机运行时叶轮组受到的离心力 (设计转速为1500rpm) 。

4.4 地震荷载 (OBE、SSE)

OBE是核电厂的厂区运行安全地震动, SSE是厂区极限安全地震动。地震荷载是从厂区地震输入设计楼层反应谱作用到机组结构上计算得到。依照厂区提供的离心风机安装楼面地震反应谱, 地震作用取电气和连接厂房标高为0.00米楼面反应谱进行计算。OBE地震阻尼比取0.02, SSE地震阻尼比取0.04。

4.5 荷载组合

(1) 异常工况 (B级使用荷载) 荷载组合为:DW+Po+OL±OBE;

(2) 事故工况 (D级使用荷载) 荷载组合为:DW+Po+OL±SSE;

4.6 边界条件

风机机壳底板底部6个M18地脚螺栓与建筑结构地面连接处为固定端位移边界条件。

5. 整体结构地震作用响应计算结果

B级使用荷载作用下, 整体结构的最大变形发生在叶轮组件部位 (图1) , 最大应力强度则出现在叶轮组件部位 (图2) ;D级使用荷载作用时, 最大变形及最大应力出现的部位与B级使用荷载作用结果相同。

图2 D级工况风机整体结构变形云图

6. 结构抗震性能评定

根据NB/T 20038-2011规范规定, DVH系统离心风机结构采用4.3.2节板壳型部件及其支承件设计验证的要求评定, 表3给出了评定准则及限值。

根据表3给出的评定准则及限值, 评定结果列于表4~表5。DVH系统离心风机各主要部件的强度满足规范要求。

7. 结论

根据本报告计算结果, 某公司设计的DVH系统离心风机结构各主要部件的应力都可以满足应用的规范要求, 离心风机结构在抗震安全性能方面也满足本行业规范, 满足国家标准--《核电厂抗震设计规范》、《核设施通风空调和气体处理系统机械设备设计规范》和ASME规范的相关要求。

摘要：核电站用离心风机是核电厂工程重要设施。因此, 必须在设计过程中考虑离心风机在地震作用下的工作性能, 从而保证离心风机在各载荷工况下的完整性和安全性。通过对离心风机有限元模型的计算和分析验证离心风机在各工况下的抗震安全性, 能满足我国核电设施的相关规范要求。

关键词：离心风机,有限元分析,抗震分析