50MW级太阳能光热电站熔盐泵轴系强度评定与疲劳分析

袁向阳，陈 宁，胡永海

（中国电建集团上海能源装备有限公司，上海201316）

1 研究背景

熔盐是一种物理特性优良的熔融盐，常温下为固态。熔盐导电率较高，使用的温度范围也较广，蒸汽压低，热容量大，且化学性质稳定。这些优点使得熔盐不仅在化工产品的制备中得到大量应用，也使熔盐被广泛地用作蓄热材料和传热介质[1-2]。

高温熔盐泵是熔盐介质的输送泵，广泛应用于化工行业、核能及太阳能领域[3]。50MW级太阳能光热电站中的熔盐泵是光热电站的主循环泵，其结构形式是立式多级长轴泵，属于API610标准中的VS类型泵。其叶轮级数为四级，输送介质为液态二元熔盐Solar Salt60%NaNO3-40%KNO3，凝固点是223～238℃，设计温度为400℃[4]，设计寿命大于等于30年。

由于太阳能光热电站熔盐泵运行温度高，扬程高，为保证一定的储热量，罐体容量大，泵体较其他熔盐系统更长，并且需要每天开机停机，使轴处于一种重复性工作状态。另外，轴工作温度较高，压力较大，容易产生热应力。而且，转子转动附有机械载荷，转速较高，可达297 rad/s。转子在这种工况下，容易产生疲劳损伤。故此，对转子进行疲劳分析非常有必要。

近年来，部分学者对熔盐泵展开研究，主要包括口环间隙对熔盐泵性能及转子受力与形变的影响[5]；高温熔盐泵轴承冷却方案的选择[6]，以及熔盐泵轴承风冷系统的设计[7]等。然而，目前为止，还未发现关于熔盐泵轴系强度方面研究的相关报道。由于熔盐泵为立式长轴泵，因此，轴系的安全性对于熔盐泵的稳定运行至关重要，本文评定了熔盐泵轴系在高温下的结构安全性和疲劳寿命。

2 分析方法

2.1 几何模型

熔盐泵为VS1型立式悬吊长轴泵，包括传动部件主轴、叶轮、平衡鼓、推力盘以及外筒体、导流壳、上下轴承体等，其中轴长约15 m，联动电机带动整泵运转，通过四级叶轮逐级增压来满足熔盐泵水力性能要求。为方便表述，本文将轴按照上下顺序编号为轴1-轴6（图1）。由于太阳能光热电站熔盐泵采用四级叶轮与导叶周期布置结构，4级叶轮受力位于轴3、轴 4、轴 5和轴 6上，因此，轴 3、轴 4、轴 5和轴 6的结构和受力完全相同，所有联轴器和键的受力情况也相同，可以简化计算。本文在疲劳分析中将对轴1、轴2、轴3和轴6分别进行分析。

图1 熔盐泵轴几何造型及命名

2.2 计算模型及边界条件

参考轴的支持形式，在上滑动轴承处设置轴向约束和径向约束，下滑动轴承处设置径向约束（图2）。

图2 轴上下约束位置

轴的破坏主要由扭矩剪应力引起，所以在评定时考虑最高转速工况，即600℃，转速1 450 r/min。轴的扭矩功率分析所得，并通过功率和扭矩的转换公式，即M=9 550×P/n。P为轴功率，M为计算得到的扭矩，n为转速。具体数值如表1所示。

表1 轴上的作用力

有限元模型中，采用四面体单元对几何模型进行划分，同时为了获得较精确的结果，在主轴键槽应力集中部位进行细化。

2.3 选取疲劳曲线

低周疲劳是在循环次数与应力相对较低的，而应变较高时发生的变形与疲劳失效的关系，一般采用E-N曲线；高周疲劳是在循环次数与应力较高，而应变较低的情况下产生的载荷与疲劳失效的关系，一般采用应变S-N曲线表示其中S为交变应力，N为次数。由于轴系的疲劳失效主要是由于热应力以及机械载荷引起，而且轴系机构的寿命试验要求也很高，轴系的疲劳类型为高周疲劳，所以采用应力SN曲线。

疲劳曲线S-N的选取根据ASME 2007 SECTION VIII---DIVITION 3中的ARTICLE KD-3中的内容，由于轴材料42CrMo在400℃时的屈服极限为714 MPa，根据的屈服极限范围选取轴材料相对应的疲劳曲线。由于疲劳校核S-N曲线也即交变应力S与次数N的曲线。而交变应力的描述也即通过循环特性及应力幅σa表现出来（图3示）。ANSYS的疲劳寿命分析模块Fatigue Tool采用Equivalent（vonmises）应力值。所以，选取标准应力数值2倍即为SN曲线纵坐标交变应力值，S-N曲线具体数值数值见表2。

图3 应力幅σa示意图

表2 S-N疲劳曲线数值

3 分析结果与评定

3.1 轴系强度分析

根据美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，ASME）标准附录S的要求，需要提取轴的轴向应力其值是拉伸（或压缩）引起的应力与弯曲应力之和，同时还需提取剪切应力。所提取应力部位必须包含高应力区和经验上的危险区，如轴径突变明显，键槽，键槽附近处）。

考虑到高温情况下的许用应力较小，且靠近键槽区域可能存在较大应力，因此，在键槽下部也选取了相应的截面进行分析评定，同时对键也进行安全评定。

如图4所示，键槽根部存在较为明显的应力集中，在键槽应力集中部位做截面，并提取应力分布，轴向最大拉弯应力（Sb+St）为57.92平均拉弯应力为16.43 MPa，最大剪切应力为9.7 MPa，平均剪切应力为1.53 MPa。

图4 键槽处应力分布

在键处提取相应截面的应力分布如图5所示。其中轴向最大拉弯应力为，平均拉弯应力为0.15 MPa，最大剪切应力为，平均剪切应力为0.84 MPa。

3.2 轴系强度评定

轴的评定采用ASME附录S卷进行评定，其评定标准如下式：

其中，St为轴向应力；Sb为轴弯曲应力分量；Se为材料疲劳限值；Ss为最大剪切应力；Sss为材料许用剪切应力；Su为设计温度下材料的抗拉强度限值；Sy为设计温度下材料屈服强度限值。根据AMSEⅡD TABLE U/Y-1标准，键槽上部及键（600℃）的抗拉强度限值Su为390 MPa，屈服极限Sy为139 MPa。材料的抗拉强度和许用应力根据局部温度所在位置确定。评定结果如表3所示。

图5 键处应力分布

表3 轴强度评定

3.3 轴系疲劳分析

根据轴系的强度评定结果作为基础，采用Fatigue Tool模块的疲劳寿命计算方法，并且输入上表3的疲劳曲线数值，可以得到轴1至轴6的疲劳寿命分析结果如图6所示。

由图6疲劳分析结果可以看出，轴6最低疲劳寿命为2.7138×104次循环。位置发生在轴承上表面阶梯根部位置。

根据轴受力形式可知，轴在运行过程中受到的载荷为径向力、转子不平衡力、轴向力及转动力矩，而在轴运转时上述载荷一直存在，没有发生变化，只有在开机、停机时载荷才会产生或消失。所以据此分析，轴系寿命计算的循环周期应为一次开停机。

图6 轴系疲劳寿命云图

据此可将以上计算所得的轴系循环次数转化为寿命（以每个工作日开停机一次为标准），见表4。轴6处为最小工作寿命发生区域，最小工作寿命为为27138天（74.3年），大于等于设计寿命30年的要求。

表4 轴1-轴6疲劳寿命

4 结束语

本文采用ANSYS软件对50MW级太阳能光热电站熔盐泵轴系强度分析计算并提取出评定所需的各应力值，通过ANSYS中的Fatigue Tool模块对轴系疲劳寿命进行分析计算。通过提取轴系高应力区和经验上的危险区（主要包括轴键槽下部和键），根据应力分布值和相关标准，验证了轴系强度均满足ASME相关标准的安全性要求。以轴系的强度评定结果作为基础，选取相对应的疲劳S-N曲线校核轴系疲劳寿命，最容易产生疲劳区域位于轴6处，疲劳寿命约74年，满足太阳能光热电站熔盐泵设计要求。