核反應堆冷卻劑主循環(huán)泵(簡稱核主泵),承擔著驅(qū)動核電站一回路冷卻劑循環(huán)的重要功能,因而被喻為核電站的“心臟”。泵軸上裝有慣性飛輪,正常運行時儲備動能,而當電廠遭遇突然斷電、主泵失去外部電源時,飛輪中儲存的動能可以驅(qū)動泵軸持續(xù)惰轉(zhuǎn)一段時間,從而帶走反應堆余熱,防止堆芯過熱導致核事故,顯然,核主泵飛輪的儲能性能與安全運行關系到整個核電站的安全運行。由于飛輪工作在高溫、高壓、核輻射等特殊環(huán)境中,其結構材料、工作轉(zhuǎn)速和尺寸設計受到了嚴格限制,這使得核主泵飛輪結構設計要求儲能大與重量低、壽命長和可靠性高之間形成矛盾。針對此問題,本文以核主泵飛輪為研究對象,通過有限元法和結構優(yōu)化設計技術,以提升儲能密度(單位質(zhì)量的儲能)為目標,對傳統(tǒng)設計實心圓盤飛輪的徑向截面和旋轉(zhuǎn)平面進行了形狀和拓撲優(yōu)化設計,并對三代核電技術中提出的多環(huán)套裝鎢合金飛輪進行了力學性能分析與尺寸優(yōu)化設計,揭示了其中的鎢合金層采用分塊設計和間隙設計的力學機理。具體內(nèi)容如下:第一章,首先總結了國際核電技術的發(fā)展歷程、各國核電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國核電技術發(fā)展現(xiàn)狀,然后介紹了軸封泵和屏蔽泵中幾種典型核主泵飛輪的工作原理、結構特點與設計要求,并指出飛輪結構設計中大轉(zhuǎn)動慣量和高儲能密度的設計要求與難點,最后結合核主泵飛輪研究現(xiàn)狀,論述了飛輪結構優(yōu)化設計的必要性和可行性,并針對三代核電技術中提出的多環(huán)套裝鎢合金飛輪結構創(chuàng)新設計,討論了亟待解決的科學技術問題。第二章,針對實心圓盤飛輪儲能密度低的缺點,以提升儲能密度為目標,對飛輪徑向截面進行了形狀優(yōu)化設計。通過樣條曲線擬合控制點方法來描述飛輪沿半徑方向的軸向厚度分布,利用ANSYS和ISIGHT建立了飛輪有限元模型和形狀優(yōu)化模型,分別對輪軸一體式和過盈配合式飛輪徑向截面進行了形狀優(yōu)化,得到了在應力約束和定質(zhì)量約束下的優(yōu)化結果。研究發(fā)現(xiàn),兩種飛輪最優(yōu)截面形狀均呈現(xiàn)出“中間薄,內(nèi)外厚”的特點,對于過盈配合式飛輪,形狀優(yōu)化不僅有效提升了儲能密度,而且改善了過盈配合面端部的應力集中,降低了飛輪啟停過程的循環(huán)應力幅,有效提高疲勞壽命。第三章,針對實心圓盤飛輪傳統(tǒng)設計,以提升儲能密度為目標,對飛輪旋轉(zhuǎn)平面進行了拓撲優(yōu)化設計�；贠ptiStruct變密度拓撲優(yōu)化方法建立了飛輪旋轉(zhuǎn)平面拓撲優(yōu)化模型,將飛輪旋轉(zhuǎn)平面劃分為內(nèi)環(huán)、中間環(huán)和外環(huán)三個區(qū)域,并固定內(nèi)環(huán)和外環(huán)為非設計區(qū)域以保證飛輪結構的邊界完整性,然后通過優(yōu)化去除中間環(huán)(設計域)中對轉(zhuǎn)動慣量貢獻率較低的材料來提升飛輪儲能密度,最終得到了在最小成員尺寸控制、旋轉(zhuǎn)對稱約束、應力和體積分數(shù)約束下的飛輪拓撲優(yōu)化結果,并發(fā)現(xiàn)了這些控制和約束條件在飛輪旋轉(zhuǎn)平面拓撲優(yōu)化中的影響規(guī)律,為工程儲能飛輪拓撲優(yōu)化設計提供指導。第四章,針對多環(huán)套裝鎢合金飛輪創(chuàng)新設計,揭示了鎢合金層采用分塊設計和間隙設計的力學機理。以由內(nèi)輪轂、中間鎢合金層和外保持環(huán)三層結構組成的多環(huán)套裝鎢合金飛輪為研究對象,采用有限元法分析飛輪在過盈配合力、離心力和溫度載荷耦合作用下的力學響應,并對比整體式和分塊式鎢合金層飛輪的熱應力特性。研究發(fā)現(xiàn),高溫工作環(huán)境下,鎢合金與不銹鋼材料熱膨脹系數(shù)的不匹配會導致飛輪結構產(chǎn)生熱應力,尤其在鎢合金層周向出現(xiàn)了很大拉應力,而采用分塊式鎢合金層設計可以有效釋放這種熱應力,并得到了鎢合金層的最佳分塊數(shù)和間隙尺寸。此項工作揭示了多環(huán)套裝鎢合金飛輪蘊含的力學機理,為我國消化引進國外技術、提出自己的創(chuàng)新飛輪設計提供理論基礎。第五章,針對多環(huán)套裝鎢合金飛輪結構,以提升儲能性能為目的,對飛輪各層徑向尺寸和初始過盈量進行了優(yōu)化設計研究�；谠囼炘O計與代理模型方法,在滿足飛輪結構強度安全和層間配合壓力要求的前提下,分別以最大化儲能密度和最大化轉(zhuǎn)動慣量為目標,對飛輪各層徑向尺寸和鎢合金層與外保持環(huán)間的初始過盈量進行了設計,得到了最佳的過盈量和各層徑向尺寸設計方案。與傳統(tǒng)實心圓盤飛輪相比,多環(huán)套裝鎢合金飛輪設計方案,可提升儲能密度11.6%,提升轉(zhuǎn)動慣量80.8%。為多環(huán)套裝鎢合金飛輪的儲能性能結構優(yōu)化設計提供指導。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TM623
【部分圖文】：

力來自于核電，捷克、烏克蘭、比利時、瑞典、芬蘭、韓國等核電發(fā)電比皆已超過三分??之一，西班牙、美國、英國、俄羅斯等國接近四分之一，世界平均水平也達到１６％，然??而我國當前的核電發(fā)電比卻僅為３．６％?（如圖１．２所示），遠低于發(fā)達國家。目前，我國??在運行核電機組３６臺，在建機組２０臺，總裝機容量達到２３１７萬千瓦，僅次于美國、??法國和俄羅斯，位列全球第四位。２０１６年我國核電發(fā)電量２１０５．２億千瓦，相當于約節(jié)??省燃燒６５６８．２萬噸標準煤，減少排放１７２０８．７萬噸二氧化碳、５５．８萬噸二氧化硫和４８．６??萬噸氮氧化合物。大力發(fā)展核電不僅是我國厲行節(jié)能減排的客觀要求，同時也是確保能??源安全、改善能源結構的戰(zhàn)略選擇［１７］，而且對帶動高科技產(chǎn)業(yè)和裝備制造業(yè)發(fā)展、促進??經(jīng)濟增長都具有著重要意義，“十三五”規(guī)劃綱要中進一步地明確了在２０２０年實現(xiàn)“建??成５８００萬千瓦、在建３０００萬千瓦”的發(fā)展目標，我國核電產(chǎn)業(yè)正處于高潮建設時期［１８＿１９］。??Ｆｒａｎｃｅ?￣?卜?：?－＊?＇?＊?：?７２．＾?；??Ｓｌｏｖａｋｉａ?＿?．．．．．

核反應堆冷卻劑主循環(huán)泵（ｒｅａｃｔｏｒ?ｃｏｏｌａｎｔ?ｐｕｍｐ，?ＲＣＰ），簡稱核主泵，是核電站一??回路冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，又被喻為核電站的“心臟”?［４（Ｍ２］。核主泵的位置??在核反應堆（ｒｅａｃｔｏｒ?ｖｅｓｓｅｌ）與蒸汽發(fā)生器（ｓｔｅａｍ?ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）之間（如圖１．３所示），??其功能主要包含兩方面：一是正常運行功能，為一回路的冷卻劑循環(huán)提供驅(qū)動力，實現(xiàn)??反應堆跟蒸汽發(fā)生器之間的熱能交換，再經(jīng)由二回路的汽輪機（ｔｕｒｂｉｎｅ）和發(fā)電機??（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）實現(xiàn)核能發(fā)電；二是安全防護功能，核主粟屬于核Ｉ級安全栗，其基本要??求之一便是能夠在無人維護條件下長期、安全、穩(wěn)定地運行，當電廠遭遇事故突然失去??外部電源時，核主泵必須能夠持續(xù)惰轉(zhuǎn)一段時間，驅(qū)動冷卻劑循環(huán)，從而帶走反應堆芯??余熱，防止發(fā)生核事故，歷史上很多核事故都是由于反應堆熱量未能及時排出所致。由??此可見，核主栗的設計必須滿足高度安全性和超長使用壽命要求，確保核主泵的安全穩(wěn)??定運行對保障反應堆安全以及防止核事故都具有極其重要的意義。??Ｔｈｅ?Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ－Ｗａｔｅｒ?Ｒｅａｃｔｏｒ?（ＰＷＲ）??Ｃｗｔａｍｍｅｎｔ?Ｓｔｒｕｃｌｗｅ??３ｒｅｓｓｕｒｉｚｅｒ?Ｓ＋ｅａｒｎｖｌ?ｌ＼／ｌ??Ｉｋ?Ｐｉ?＆ｅｎｅ＜？Ｊ?

??核主泵根據(jù)密封形式可分為兩種［４３４４］（如圖１．４所示）：軸封式核主泵和屏蔽式核??主泵，簡稱軸封泵和屏蔽泵。針對軸封泵，其一般采用常規(guī)鼠籠式感應電機，電機與葉??輪是分開的，核主泵以高溫、高壓并帶有放射性的水為工作介質(zhì)，轉(zhuǎn)軸之間需要采用復??雜的機械密封結構，軸封部件若出現(xiàn)損壞則很可能造成小破口失水事故，所以，軸封泵??的工作效率和安全性在很大程度上取決于密封系統(tǒng)的性能不過目前的軸封泵技術較??為成熟、功率大、造價低和維修方便，二代核電站基本都采用軸封泵。??針對屏蔽泵，其葉輪和電機轉(zhuǎn)子連成一體并密封在主泵殼體內(nèi)，不僅解決了機械密??封問題，還大大簡化了支撐系統(tǒng)。相對于軸封泵，屏蔽泵具有結構簡單、體積小、質(zhì)量??輕、噪音低等優(yōu)點，但屏蔽泵不易拆卸和更換零部件，對穩(wěn)定性要求較高，電機大部分??零部件需采用耐腐蝕材料
【參考文獻】

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本文編號：2835815