(上海核工程研究设计院，上海;200233)

摘要:AP1000主泵叶轮在试验中曾出现过疲劳裂纹，并因此影响了项目进展。为避免该状况再次出现，以确保核泵水力部件在不易监测和检查的高温、高压一回路介质中长期稳定运行，梳理了核泵水力部件疲劳设计需考虑的主要因素，并提出和分析验证了减小核泵水力部件疲劳情况的设计修改方法。

关键词:核电站用泵 叶轮 疲劳寿命 压力脉动

引言

在核电厂运行过程中，对反应堆冷却剂泵、余热排出泵等重要泵设备的水力部件进行检修及备件更换一直是一件麻烦而且代价昂贵的工作，因此其水力部件的设计寿命应等同于核电厂的设计寿命。

运行过程中，泵叶轮内部真实的流动呈现三维、非定常、粘性的特征，主要体现在叶轮与导叶间的动静干涉、叶轮内流动分离、叶轮出口处二次回流、汽蚀等，上述流动状态均可造成泵机组运行不稳定。其中叶轮的压力脉动对泵机组的振动、叶片疲劳寿命等影响较大，是近年来关注的热点之一。叶轮叶片表面所受压力脉动是叶片所承受的主要疲劳载荷，压力脉动的幅值大小、频率成分直接决定了叶轮的使用寿命。

1 压力脉动致材料疲劳机理

1.1 材料疲劳特性

疲劳是材料在低于屈服极限的循环应力反复作用下的损伤累积、性能下降甚至断裂失效的过程。材料在疲劳失效前所经历的应力循环次数称为疲劳寿命。材料的疲劳寿命与交变应力(应变)水平有关，可表示为应力(应变)一寿命曲线，上述设计疲劳曲线统称为S-N曲线，可根据材料的疲劳试验(如循环试验)测得。图1为ASME标准给出的某种不锈钢材料的疲劳曲线，图中材料疲劳曲线可分为斜率陡降的低周疲劳阶段和发展趋势相对平坦的高周疲劳阶段。

S-N曲线中得到的疲劳强度为理论疲劳强度，在设计过程中还需考虑下述影响因素，包括:

    a) 应力集中影响。材料的初始缺口或由零部件自身结构形式导致的应力集中。     b) 部件静应力状况。材料所受静应力可影响材料疲劳寿命，静应力状况包含平均应力、动载荷时域波形、载荷中间间隔等因素，其中平均应力对疲劳强度的影响最显著。图2为考虑平均应力修正常用的Goodman线图，材料的实际疲劳强度需经过该线图的修正。
    c) 运行温度影响。通常金属的疲劳强度随温度增加而下降。材料在常温下得到的疲劳强度需修正到实际运行温度下。
    d) 其他的因素还包括部件表面粗糙度、输送介质物性等。
    在考虑上述影响因素后，确定最终的许用疲劳强度列于表1中。

1.2 压力脉动致疲劳应力的原因

造成叶片内部压力脉动的主要因素为叶轮与导叶间的动静干涉，反映在流场中表现为:

1)势流角度分析，因叶轮与导叶相对位置变化，流道形状改变，造成流线及流速大小的周期性改变，产生叶轮表面周期性变化的压力场;

2)考虑叶片厚度、粘性边界层等因素，叶轮出口处流体的速度分布并不均匀，受导叶干涉后流动进一步发展，并对上游叶轮内的压力分布产生影响，上述作用随动静部件相对位置的变化呈周期性变化。以上两种干涉作用分别
称为势流相互作用和尾迹相互作用。

动静干涉作用产生的根本原因是流道形状变化和叶轮出口尾迹干涉，其产生的压力脉动的主要频率成分由泵机组运行转速、导叶叶片数和叶轮叶片数共同决定。

有研究表明网:在静止坐标系中，导叶所受压力脉动频率为:

在回转坐标系中，叶轮所受压力脉动频率为: