三代压水堆核主泵关键部件制造及工艺研究进展

核主泵作为反应堆冷却剂系统中唯一高速旋转的设备,其正常运行对于整个核电站的安全至关重要.长期以来,核主泵制造的安全性与可靠性一直是中国核电技术发展的“卡脖子”难题.近年来,得益于国家对核电技术基础研究的大力投入,以及依托重大课题项目的推进,中国三代压水堆核主泵国产化进程在各个方面都取得了重大成果.文中从核主泵制造及工艺的角度,深入剖析叶轮、泵壳、定子、转子、屏蔽套、密封、轴承等关键部件的发展历程,并针对各部件的材料选择、加工、装配工艺、检测方法及技术体系等进行详细分析,总结了中国核主泵的制造进度及难点.最后,结合当前核主泵制造的现状,提出中国核主泵制造发展的相关建议,这对中国核电事业的国产化进程具有重要意义.

10 kWe空间堆闭式布雷顿系统驱动单元设计

针对空间反应堆要求能量密度高和长寿命等特点,提出一种以气体箔片轴承作为支承,高效率径流式叶轮作为驱动的离心式压气机设计方案。以特定流量、压力、功率和效率作为设计依据,进行叶轮的气动设计,得到高效率压气机和高效率径流式涡轮模型。基于有限元法,对径向气箔轴承的顶箔变形分别采用欧拉梁和厚板模型进行表达,并结合Reynolds方程进行求解,厚板模型的计算结果准确反映了顶箔沿轴向的变形,由此得到的气膜厚度、气膜压力和承载力更加符合实际,在厚板模型基础上求得轴承动态刚度和阻尼系数更为合理。选取合理的轴承模型获取了转子系统的临界转速和闭式布雷顿系统的最低起飞转速,并由线性轴心轨迹得知转子系统在额定工况具有更好的稳定性。最后对止推箔片轴承的承载特性进行了分析,提出了装配注意事项,为10 kWe空间堆闭式布雷顿系统驱动单元样机研制提供了理论指导。

高负荷变动率下核电汽轮机转子热应力数值模拟

国内某大型核电汽轮机需要在线性负荷变动率为每分钟6%额定负荷工况下运行,这超出了当前国内建造的第三代核电的设计限制。汽轮机是影响机组负荷变动率的要素之一。采用ANSYS软件对汽轮机进行了有限元分析,模拟了汽轮机高压缸转子在负荷变动率为每分钟6%额定负荷工况下的温度场和应力场,结合转子疲劳曲线,评估了该高变负荷运行工况对汽轮机转子疲劳寿命的影响。研究成果可以为“双碳”目标下提升核电机组运行灵活性、适应当前核能-多能耦合运行提供参考。

核电汽轮机转子焊缝自动化检测系统研究

核电汽轮机焊接转子在运行期间处于高温工质中,并高速旋转。转子焊接接头的质量与性能是非常重要的,目前,针对转子焊缝采用常规超声和磁粉检测,现场操作流程繁琐、检测灵敏度和效果无法满足要求。文章介绍了联合研制的汽轮机转子焊缝自动检测系统。该自动化检测系统包含清洁机器人、检测机器人,可以对转子焊缝进行表面清洁、目视宏观检查、阵列涡流检测、相控阵超声检测,实现转子焊缝及热影响区的全覆盖检测。相比于常规检测,采用阵列涡流及超声相控阵的效率大幅度提高,缺陷定性和定量分析准确更高。该系统已服务多个机组,发现多处缺陷,提高了转子焊缝检测质量,对保证核电汽轮机安全稳定运行意义较大。

大型核电机组免抽转子检测机器人设计研发

大型核电机组定期检测维护工期长、作业重、成本高,针对这一系列问题,设计开发了一种新型核电机组免抽转子检测机器人,用于替代传统人工目视检测作业。首先介绍了核电机组的结构参数,据此设计了机器人的整体功能架构组成,进一步设计了运动控制系统、视觉检测系统和槽楔松紧度诊断系统,最后通过工程现场测试了机器人的相关功能模块。测试结果表明,设计开发的检测机器人操作简便、可靠性高、控制灵活,能够有效分析大型核电机组的健康状态,可以显著减低机组运维成本,具有一定工程推广价值。

百万千瓦级核电转子中心压实过程的有限元模拟

实测了核电转子用25Cr2Ni4MoV钢的高温应力-应变曲线和热物性数据,基于ABAQUS软件建立了百万千瓦级核电转子中心压实过程的三维热力耦合有限元模型,模拟分析了4种条件下锻件轴线区域等效应变与静水应力的演化规律。结果表明:在锻件的应变水平上,镦粗方案的轴线中部区域的等效应变是不镦粗方案的1.5倍,而轴线两端区域的等效应变则相差不大;在锻件的静水应力方面,镦粗方案的静水压应力为不镦粗方案的1.6～2.0倍。对550t钢锭的压实效果评估表明:不镦粗方案虽然满足缺陷愈合的应变条件,却难以满足静水应力条件;而镦粗方案能同时满足应变与静水应力条件。最后,根据优选的方案进行了现场实施,获得了质量满足要求的锻件。

核电汽轮机焊接低压转子1∶1模拟件接头高周疲劳性能及门槛值预测

测试了25Cr2Ni2Mo V百万千瓦级核电汽轮机焊接低压转子1∶1模拟件埋弧焊接头的高周疲劳性能,高周疲劳断口分析表明,内部启裂源多为气孔,且有明显的分区现象.已有文献计算启裂区应力强度因子幅的公式多应用于内部夹杂物启裂的情况,文中针对模拟件埋弧焊接头高周疲劳裂纹椭球形气孔裂纹源,提出裂纹源形状影响因子对已有公式进行修正,建立了通过高周疲劳测试和断口观察预测疲劳裂纹扩展门槛值的方法.该方法通过白光干涉形貌仪确定启裂区的面积、采用对数拟合确定启裂源形状影响因子等手段,预测出埋弧焊接头焊缝区的疲劳裂纹扩展门槛值,并进行了模拟件埋弧焊接头的疲劳裂纹扩展门槛值的测试,结果一致,进一步验证了方法的合理性.

核主泵内部流动干涉的瞬态效应研究

为了揭示核主泵叶轮和导叶的流动干涉效应,采用相似换算法和多参数匹配法,基于RNG k-ε湍流模型与块结构化网格,对缩比系数为0.5的模型泵进行非定常数值模拟。结果表明:扬程脉动幅值与运行工况有关,额定工况时扬程脉动的幅值最小,偏离最优工况时,扬程脉动幅值逐渐增大。导叶内部流道产生不稳定的流量脉动效应,大于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动瞬态效应不明显;小于0.8Qd工况时,导叶内流量脉动趋于不稳定。考虑到机组的水力稳定性,运行工况应大于0.8Qd。动静干涉使导叶内静压分布呈现周期性脉动,导叶压力面平均脉动幅值最大,吸力面平均脉动幅值最小,压力脉动的周期与叶轮叶片数有关;导叶内静压分布与叶轮尾缘和导叶前缘相对位置有关,叶轮尾缘对导叶入口流动的阻塞效应,是诱发导叶内静压脉动的主要原因。

二回路系统钠泵流体动静压混合润滑轴承的润滑机制及动力学特性

对某型工程中的复杂二回路主循环系统钠泵流体动静压混合润滑轴承进行分析。采用流体动静压润滑理论,利用高级旋转机械动力学分析软件包ARMD对该型轴承进行建模和分析,揭示该型轴承相对于传统润滑轴承润滑机制的特殊性,研究不同外载荷、不同转速、不同初始偏心率下钠泵轴承的润滑性能参数及动力学特性参数的演化规律。研究结果表明:外载荷、转速和初始偏心率是影响钠泵轴承润滑性能的重要因素,最大压力、功耗、温升及刚度阻尼系数随外载荷的增大而增大,随初始偏心率增大而略有降低;最小膜厚则反之。该研究为进一步开展钠泵轴承-核主泵转子耦合系统的动力学特性的研究奠定基础。

基于比面积调控的核主泵动静叶栅数值优化研究

核主泵动静叶栅的参数匹配对水力性能有显著影响。为了提高核主泵整机效率,本文基于动静叶栅几何参数的匹配关系,采用正交试验方法,选取调控比面积的三因素及三水平,探讨比面积对泵水力性能的影响机制;基于各因素平均值,综合考虑叶轮和导叶几何参数及其交互作用对扬程、效率影响的显著性,确定最优组合方案。研究表明:比面积对扬程和效率影响显著,ξ取0.835时,动静叶栅几何参数达最优匹配度,此时扬程和效率均达峰值点。导叶叶片前缘区域,ξ对液流速度的影响较显著,导叶内部速度值呈线性下降趋势时,导叶叶片对液流的控制力较强。当ξ取0.835时,CFD验证导叶水力损失达最小值。获得最佳比面积ξopt为0.835,动静叶栅内部水力损失最小,提高了核主泵整机性能。研究结果为核主泵动静叶栅水力设计,提供了理论依据。

1000MW级核电站离心式上充泵转子轴系的扭振特性

为研究1 000 MW级核电站离心式上充泵转子轴系扭振特性,应用Pro/E和ICEM软件对水体部件进行三维造型和网格划分,借助现代CAE技术,并采用有限元分析软件Ansys对上充泵转子轴系的扭转振动特性进行数值计算,通过扭振分析得到转子轴系在不同转速下的扭转振幅.结果表明:采用三支撑转子轴系的结构稳定性相比于两端支撑的转子轴系各阶固有频率都有明显提高,这有助于减小上充泵运行时的振动和噪声;在4 900 r/min的转速下转子轴系发生了较为明显的一阶扭转共振,引起共振的主要原因是电动机驱动力矩的6次谐波分量频率和转子轴系的一阶扭振固有频率的整数倍接近;上充泵设计运行转速为4 500 r/min,转速与转子轴系各阶临界转速值相差较大,其转子轴系的扭转振幅较小,不会发生扭转共振,表明所设计的转子轴系结构是合理的.

核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的研究

提出核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命的计算与评定方法。介绍核电汽轮机转子的低周疲劳与高周疲劳的应力幅与应力范围、低周疲劳裂纹扩展寿命与高周疲劳扩展寿命的计算方法。给出了核电汽轮机转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展日历寿命的计算与评定方法,以及1 000 MW级核电汽轮机焊接低压转子疲劳裂纹扩展日历寿命的计算与改进的应用实例。结果表明,高周疲劳对汽轮机转子疲劳裂纹扩展日历寿命有比较大的影响,新研制核电汽轮机的转子结构设计和在役核电汽轮机的转子安全性评定,需要评估转子在低周疲劳与高周疲劳交互作用下裂纹扩展寿命。

核电汽轮机高中压转子弯曲故障评估及处理系统

研究HN1089型百万千瓦级核电半转速饱和蒸汽汽轮机轴系的动不平衡响应特性,首次建立高中压转子现场弯曲故障的评估及处理系统。采用转子动力学专业分析软件ARMD,先计算支撑轴承的静、动特性的性能参数,其次采用应变能法对轴系的带空腔焊接转子进行模化,并计入减振弹簧基础的参振质量和刚度,建立基础-轴承-转子的动力学模型计算轴系的动态特性。现场实测轴系固有频率结果与计算结果基本一致,证明模型正确。计算高中压转子加配重时轴系的振动响应与自身一阶振型弯曲时的振动响应,发现加重响应敏感性远低于同容量的火电机组,仅当高中压转子重心处弯曲值不超过0.06mm时,可以采取不揭缸在线安装最大质量配重螺钉的方式处理弯曲故障,但此时在线偏心传感器已无法正确评估该类弯曲故障的影响。借助该型汽轮机高中压缸特有的中间轴封体连接管孔,通过电涡流传感器可以测量转子实际弯曲度,并建立评估现场不揭缸动平衡处理可行性的系统,为快速决策高中压转子现场弯曲故障的处理提供重要参考。

疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响

采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)研究了不同程度疲劳损伤对核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性的影响,利用扫描电子显微镜等观察手段讨论了疲劳损伤对汽轮机焊接接头应力腐蚀开裂敏感性和二次裂纹的作用机理.结果表明,疲劳损伤增强了核电汽轮机焊接转子接头应力腐蚀开裂敏感性.此外,疲劳损伤的作用使空气中试样的塑性提高而在腐蚀溶液中塑性降低,也影响了试样内部二次裂纹的产生和扩展.

动静转子间隙比对核主泵水力性能的影响

基于三维不可压缩流体的N-S方程和RNG k-ε湍流模型,运用试验和数值计算相结合的方法,对设计工况下不同动静转子间隙比Δδ的混流式核主泵水力模型的三维湍流流场进行数值计算,研究Δδ对模型泵水力性能及内部流场的影响.结果表明:在所取的间隙比范围内,设计流量工况下,随着Δδ的增大,泵的总扬程和效率先增大后减小;当Δδ=3.1时,泵的总扬程和效率都达到最大值;导叶和压水室内的水力损失受Δδ的影响较大,导叶内水力损失在Δδ=2.2时最大,压水室内水力损失在Δδ=5.8时最大,当Δδ在3.1~4.0时,在导叶和压水室内的水力损失均较小.叶轮出口和导叶进口的相对速度随Δδ的增大而相互趋近,从前盖板流线到后盖板流线相对速度基本呈单调递减,叶轮出口和导叶进口相对速度分布在Δδ=3.1时最合理.研究结果可用于分析混流式核主泵水力模型的内部流场特征,并为其高效水力模型的优化设计提供参考.

大型核电汽轮机焊接转子残余应力数值模型研究

大功率汽轮机是核电站中的关键动力设备,转子是核电汽轮机中的关键部件,其安全可靠性是汽轮机正常运行的重要保证,由于锻件尺寸的限制,大功率核电汽轮机广泛采用焊接转子。焊接过程中产生的转子热应力和残余应力将可能导致焊缝及其附近区域发生过量变形,诱导裂纹萌生,并影响焊接件的疲劳强度。建立了焊接转子的轴对称和三维有限元模型,研究了大型核电汽轮机焊接转子的变形和残余应力分布规律,获得了焊趾上各点的应力和最大残余应力及其发生区域。所得结果对控制焊接转子质量和结构优化设计具有重要的指导意义。

止回阀对EPR反应堆主泵卡轴事故后果的影响

分析计算欧洲先进压水堆(EPR)反应堆主泵卡轴事故,并对比在主泵出口安装止回阀和没有安装止回阀模型的卡轴事故安全分析。结果表明,在EPR主泵卡轴事故中,止回阀可增加模型堆芯进口流量约4%,有利于堆芯的冷却。止回阀可显著地提高堆芯最小偏离泡核沸腾比(DNBR),降低堆芯偏离泡核沸腾(DNB)份额,降低包壳温度约14℃。模型分析结果表明,在主泵卡轴事故工况下,主泵出口安装止回阀可更好地维持堆芯的完整性。

核电机组孤岛运行汽轮机转子应力仿真分析

核电机组孤岛运行能力对于核电机组安全性十分重要,对核电机组孤岛运行汽轮机转子应力仿真研究较少。基于MATLAB ANSYS软件,对某型核电机组100%PN和50%PN甩负荷至孤岛运行工况汽轮机转子应力进行仿真模拟,重点分析了2种孤岛运行工况下的转子转速飞升结果和对应最高转速下转子的离心应力场以及孤岛运行过程中转子的瞬态热应力。仿真结果表明:100%PN甩负荷至孤岛运行工况下,最大飞升转速达到1 574.78 r/min,最大离心应力达到168.09 MPa,最大离心应力出现位置为中压末级;热应力随时间逐渐增大,高压转子第二级级后叶轮根部出现最大应力值;最大应力值小于对应温度下转子材料的许用应力,2种孤岛运行工况是安全的。

某核电站主泵转子-轴承系统碰摩故障分析

为了使核电站的主泵安全、长期、稳定地运行,利用非线性有限元方法、现代非线性理论与转子动力学理论,建立了某核电站主泵转子-轴承系统有限元模型,研究了主泵的碰摩故障问题,分析了碰摩刚度、不平衡质量偏心量与碰摩间隙对转子的影响。研究结果对核电站主泵等相似旋转机械的碰摩故障的诊断具有一定的参考价值。

核电汽轮机低压焊接转子模拟件接头高周疲劳性能研究

研究并对比了25Cr2Ni2MoV焊接转子模拟件埋弧焊和氩弧焊接头高周疲劳性能,发现氩弧焊接头高周疲劳性能优于埋弧焊接头高周疲劳性能。观察高周疲劳断口发现:埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂于气孔与夹杂物;而氩弧焊接头启裂于气孔。针对内部启裂源为气孔的情况,提出通过测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸求得高周疲劳裂纹启裂速率的途径来评价高周疲劳性能。通过白光干涉形貌仪测量启裂区特征尺寸,发现埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率高于氩弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率,与实际高周疲劳性能测试结果一致。