0.   引　言

根据HAF J0053^[1]规定，对于抗震类的核级漩涡工艺风机（本文简称为核级风机），通常要求进行抗震试验，以验证风机的结构完整性和可运行性。由于抗震试验需要制造样机，在地震台上进行试验，因而成本高、周期长。为了降低成本和缩短研发周期，考虑建立一套经试验验证的抗震分析方法用于替代抗震试验。目前，国内对于核级风机通常仅进行抗震分析或抗震试验，对于分析与试验的对比验证工作研究很少^[2-4]。

本文针对一种核级风机开展了动态特性探查试验和抗震试验，获得了结构的主要模态频率和地震应变响应，并与有限元分析结果进行对比，验证了核级风机抗震分析方法的准确性和保守性。

1.   核级风机有限元抗震分析

核级风机包括叶轮、前盖、后盖、进风管、出风管、底座、传动轴、轴承箱和电机等部件，如图1所示。风机底座通过6个M20螺栓安装在试验台座上，试验台座通过20个螺栓安装在地震试验台上。

图  1  核级风机结构

Figure  1.  Structure of Process Fan

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采用ANSYS程序建立有限元计算模型。建模分析时，需要进行必要的简化，模型简化原则如下：

（1）有限元计算模型应能反映设备和附件的质量和刚度性能。

（2）有限元计算模型的边界条件应与设备实际安装条件相吻合。

（3）有限元计算模型的动态特性应反映有关适用的载荷组合和共同作用下不同方向的振动耦合效应，如外部施加的结构约束等。

核级风机和试验台座等板壳型部件由SHELL63壳单元模拟，电机、轴承箱、传动轴和螺栓等线型构件由BEAM4梁单元模拟其刚度和质量，叶轮通过MASS21集中质量单元模拟其质量效应，核级风机和试验台座之间通过BEAM4梁单元连接，台座螺栓孔位置处约束3个方向平动自由度，如图2和图3所示。其中X方向为风机风管轴向方向，Z方向为竖直方向，Y方向为水平方向。

图  2  核级风机有限元计算模型

Figure  2.  Finite Element Model of Process Fan

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图  3  核级风机约束条件

Figure  3.  Constraints of Process Fan

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利用有限元计算模型，通过模态分析得到安装在试验台座上的核级风机各方向主要模态频率，模态振型如图4所示，主要模态频率在表1中列出。根据模态振型结果，可确定动态特性探查试验的加速度测点布置位置。

图  4  核级风机模态振型

Figure  4.  Modal Shape of Process Fan

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表  1  核级风机各方向主要模态频率

Table  1.  Main Modal Frequency Results of Process Fan in All Directions

方向	振型	模态频率/Hz
X	2	83.85
Y	1	70.96
Z	2	83.85

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根据地震反应谱，采用反应谱法进行地震响应分析。按核级风机所在楼面加速度设计反应谱作为核级风机的地震载荷输入，预先通过结构的模态分析获得模态频率，由反应谱法求解核级风机在各阶模态时的结构反应（加速度、位移、力、应力等），其模态反应结果用平方和平方根（SRSS）法进行组合。模态反应的总和中包含截止频率及以下的模态。模态的等效质量总和应大于核级风机总质量的90%。将刚性模态和低于截止频率的模态用SRSS法进行组合，得到极限安全地震载荷SL-2作用下各部件的应力结果，如图5所示。

图  5  核级风机地震响应应力云图

Figure  5.  Seismic Response Stress of Process Fan

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根据上述应力分析结果设置抗震试验的应变片测点布置位置，通过抗震试验获得测点实测值，与计算值进行分析比较。在核级风机顶部、电机接线盒顶部、风机安装底座、进风口、风机轴承支架、电机支架处布置6个三向加速度传感器，测量风机3个方向的主要模态频率。在风机安装底座底部布置4个应变计（S1、S2、S6、S7），在进风口根部（S3）、风机轴承支架根部（S5）、风管与后盖连接处（S4）各布置1个应变计，以测量其应变响应。测点布置如图6所示。

图  6  传感器测点布置

A1~A6—加速度计测点

Figure  6.  Layout of Sensor Locations

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由于抗震试验时传动轴、叶轮处于运行状态，无法在其表面布置三向加速度传感器，因此通过计算得到C/D级（等级划分详见文献[5]4.2节）下叶轮、传动轴的位移结果，如图7所示。最后，通过对计算得出的叶轮与机壳的相对位移值与标准NB/T 20038^[5]限值、抗震试验前后叶轮与机壳实测的间隙值进行对比，评定分析计算结果是否可接受。

图  7  C/D级下位移云图

Figure  7.  Displacement under Level C/D

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2.   核级风机抗震试验

核级风机抗震试验在三轴六自由度抗震试验台上进行。抗震试验前，进行动态特性探查试验。采用频率范围为0.2~100 Hz的白噪声随机波分别在X、Y、Z三个轴向进行振动激励，输入加速度为0.2g（g为重力加速度），持续时间大于120 s，以测定核级风机的自振频率。动态特性探查试验过程中，风机不运行。根据动态特性探查试验结果得到3个方向的传递函数，如图8所示，确定核级风机的X、Y、Z方向自振频率分别为87.67、71.92、91.15 Hz。

图  8  核级风机传递函数

Figure  8.  Transfer Function of Process Fan

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动态特性探查试验完成后进行抗震试验，在3个正交方向上同时进行随机多频试验，持续时间至少30 s，强信号区段的持续时间至少20 s，频率范围为1~100 Hz。3个正交方向同时产生相互独立的人工模拟地震波，其相干函数值小于0.5，地震波时程如图9所示。试验中考虑10%的裕量，试验反应谱（TRS）在1~100 Hz的频率范围内包络要求反应谱（RRS）。试验过程中测量各应变片的振动响应，部分如图10所示。

图  9  核级风机抗震试验地震波时程

Figure  9.  Seismic Wave Time History for Process Fan Seismic Test　　　　　　

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图  10  核级风机抗震试验应变测量结果

Figure  10.  Strain Measurement Results of Seismic Test of Process Fan

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3.   结果对比

3.1   固有频率对比

地震试验台扫频范围为0~100 Hz，可探测出100 Hz以内的固有频率，测量值与计算值对比如表2所示，二者偏差在8%以内。反应谱生成时按固有频率的±15%进行拓宽，因此8%以内的频率偏差可被反应谱拓宽量包络。

表  2  各方向主要模态频率结果

Table  2.  Main Modal Frequency Results in Each Direction

方向	频率计算值/Hz	频率测量值/Hz	偏差/%
X	83.85	87.67	4
Y	70.96	71.92	1
Z	83.85	91.15	8

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3.2   地震应力对比

核级风机共布置7个应变计，各应变计的计算值和测量值在表3中列出。由表3可见，对于安装在应力最大的风机安装底座上的4个应变计（S1、S2、S6、S7），考虑到安装的可实施性，应变计算值和应变测量值均为轴向，在去除本底噪声前，计算值均可以包络测量值。

表  3  应变计各测点计算值与测量值

Table  3.  Calculated and Measured Values of Each Strain Gauge

应变计编号	应变计算值/10−6	应变测量值（去除本底噪声前）/10−6	应变测量值（去除本底噪声后）/10−6
S1	60	36	22
S2	49	33	21
S3	13	19	11
S4	22	25	17
S5	16	32	16
S6	60	55	40
S7	49	45	30

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对于S3、S4、S5，去除本底噪声前，测量值比计算值大3×10⁻⁶~1.6×10⁻⁵，对应应力值为0.6~3 MPa。对造成偏差的原因分析如下：

（1）抗震试验中考虑了10%的裕量，所用的TRS大于分析所用的RRS。

（2）安全停堆地震（SSE）试验时核级风机处于运行状态，S3布置在进风口，受到风管振动影响；S5布置在轴承支架根部，受到传动轴转动影响；S6布置在风管与后盖板连接处，受到叶轮转动影响。3个应变计所在位置均非应力最大处，地震响应小，传动轴等运动产生的干扰相对明显。其余应变计（S1、S2、S6、S7）远离风管、传动轴和叶轮，受到干扰较小，即使叠加上本底噪声，测量值仍然小于计算值。

综上，经对比和原因分析，核级风机对于地震响应的计算是保守的。

3.3   叶轮与机壳间隙值对比

核级风机叶轮和前后盖的变形最终会影响叶轮与机壳的间隙值，通过对比分析计算得出的叶轮与机壳间隙值和抗震试验前后间隙测量值，来评定计算是否保守。

本文叶轮和前后盖相对位移计算值保守采用叶轮总位移加上前后盖总位移；叶轮与前后盖间隙设计值为1 mm，按NB/T20038规定，对于A级、B级，叶轮和前后盖间最大变形不应超过设计值的60%，即允许变形0.6 mm（限值）；对于C/D级，叶轮和前后盖间最大变形不应超过设计值的90%，即允许变形0.9 mm（限值）。由表4~表6可知，叶轮和前后盖的变形量、叶轮与机壳间隙计算结果满足规范要求，并且抗震试验前后叶轮与机壳间隙测量值均为1 mm，满足实际要求。同时说明仿真分析结果与测量结果基本保持一致，且更加保守。

表  4  叶轮、传动轴和前后盖位移计算结果

Table  4.  Displacement of Impeller and Front and Rear Covers

部件	使用等级	UX/mm	UY/mm	UZ/mm	USUM/mm
叶轮	A级	0.0045	0	0.0187	0.0316
	B级	0.0090	0.0108	0.0241	0.0393
	C/D级	0.0132	0.0210	0.0291	0.0489
前后盖	A级	0.0836	0.0067	0.0260	0.0909
	B级	0.0889	0.0189	0.0315	0.0943
	C/D级	0.0939	0.0322	0.0366	0.0992
UX、UY、UZ—X、Y、Z方向位移值；USUM—总位移

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表  5  叶轮和前后盖相对位移评定结果

Table  5.  Evaluation Results of Relative Displacement for Impeller and Front and Rear Covers

使用等级	叶轮和前后盖相对 位移计算值/mm	叶轮和前后盖相对 位移限值/mm	叶轮与机壳间隙 计算值/mm
A级	0.1225	0.6	0.8775
B级	0.1336	0.6	0.8664
C/D级	0.1481	0.9	0.8519
叶轮与机壳间隙设计值为1 mm（保守采用叶轮最大位移加上前后盖最大位移）

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表  6  抗震试验前、后叶轮与机壳间隙测量值

Table  6.  Measurement Results of Impeller and Casing before and after Seismic Test

部件尺寸	抗震试验前	抗震试验后
叶轮尺寸/mm	Φ644.92×90.02	Φ644.92×90.02
叶轮与机壳间隙值/mm	1	1

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4.   结　论

本文对核级风机进行了抗震分析，得到其固有频率、部件间隙变化和地震载荷作用下的应变响应。依据抗震分析结果，在核级风机关键部位布置应变计进行了三轴六自由度抗震试验，得到试验测量值。通过计算值和抗震试验测量值、规范限值的对比，证明了本文抗震分析方法的合理性，说明该方法可以得到准确的地震响应结果，利用本文抗震分析方法来替代抗震试验是可行的。