核主泵屏蔽电机内部水路三维流场研究

李藏雪，赵博敏，路义萍，吕向平

(1.哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066 2.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨150080)

核主泵屏蔽电机内部水路三维流场研究

李藏雪1，赵博敏2，路义萍2，吕向平1

(1.哈尔滨电气动力装备有限公司，黑龙江哈尔滨150066 2.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨150080)

核主泵屏蔽电机是核电站核岛一次回路系统的重要组成部分，而屏蔽电机内部的冷却水的流动状态直接影响电机内的热量传递的效果。对此建立了一种屏蔽电机整机的三维流场模型。基于计算流体力学理论中的有限体积法，利用Ansys Fluent软件，以实验得到的额定工况时的一次水流速为边界条件，反演计算出屏蔽电机内部的流场速度分布。针对结果分别对屏蔽电机内的关键部位的三维流场进行了分析，得出屏蔽电机内部的轴向及径向速度分布规律。计算结果表明，在靠近旋转壁面处，水速较大，且沿轴向以螺旋线形式向上流动，在下飞轮、屏蔽套间隙流体沿径向速度梯度较大。该研究可为后续的温度场研究提供不同位置处速度分布和数值。

屏蔽电机；三维流场；有限体积法；计算流体力学

随着我国环保意识的不断增强和国内面临的日益严重的能源紧缺问题，对洁净发电技术的发展需求不断增加。核电作为一种新型能源在国民经济中的地位显得越来越重要。核主泵屏蔽电机是核电站核岛一次回路系统的重要组成部分，其安全稳定运行对冷却堆芯以及防止发生核电站事故起着非常关键的作用[1]。而屏蔽电机内部的冷却水的流动状态直接影响电机内的热量传递的效果，因而对屏蔽电机内部流场进行研究非常必要。

近年来，国内外专家学者对大型汽轮发电机和水轮发电机、风力发电机内温度场及流体场进行了大量的研究。姚若萍等基于有限元法计算了采用蒸发冷却系统的大型水轮发电机在不同工况下的定子三维温度场，得出了不同工况下定子铁芯及股线的温度分布[2]。路义萍等采用有限体积法对空冷汽轮发电机流场进行了研究[3]。Kuosa等利用ABB公司的300MW空冷汽轮发电机研发测试实验台，在充分发展的条件下，考虑转子空气射流，采用三孔“cobra”传感器测量气隙内全压与静压，并进行数值模拟计算[4]。国内外对大型空冷汽轮发电机、空冷电动机等经过数值化、精细化研究其三维流场与温度场变化规律已经相当成熟，而在屏蔽电机方面，绝大多数是对其电磁参数，受力分析等方面研究较多，对整体的流场温度场进行的研究却很少。如孙桂瑛等分析了屏蔽电机磁场的特点，用解析法求出了屏蔽电机的磁场分布，进而计算出屏蔽层的涡流损耗，并通过实验验证了解析方法的可行性[5]。冯颖慧通过对屏蔽电机主泵电机内屏蔽套的应力分析，得出各载荷在电机内屏蔽套上产生的应力低于屏蔽套材料的屈服强度，可保证屏蔽套的完整性[6]。丁树业等以一台5500kW核主泵屏蔽电机为例，建立流体场与温度场耦合的求解域物理数学模型，通过计算揭示了核主泵屏蔽电机内温度的分布规律[7]。成德等将核主泵电机内部流场根据结构特点分成四部分，针对每一部分分别建立物理模型，然后分别模拟计算[8]。本文不同于文献[7-8]，以一种典型的外置换热器的屏蔽电机为例，采用计算流体力学(CFD)方法，选用剪切应力传输(SST)k-ω两方程湍流模型等，研究额定运行工况下电机内的流场变化情况，此外，本文建立了屏蔽电机的整机模型，能够更好地观察其内部的流场的变化规律，所得结论为屏蔽电机冷却计算及设计提供参考。

1 物理模型与网格划分

本文研究的电机为立式鼠笼三相四极异步屏蔽电动机，额定转速为1500r/min，频率为50Hz，定子绕组形式为双层短距。采用Solidworks软件建立了整机的物理模型，如图1所示。

图1 整机模型Fig.1 The whole machine model

对建立的三维物理模型进行布尔运算得到整机的流场模型。外置换热器中流出的冷却水由机座底部轴芯孔处吸入后，向上流动至辅叶轮处沿轴芯孔径向依靠旋转产生的离心力甩出，一部分向下流动冷却及润滑转子下部空腔中的下导轴承及下飞轮内装置后返回到轴心水冷通道中，与新进入主循环冷水汇合返回轴芯孔下部向上流动；另一部分直接向上流动继续冷却定转子屏蔽套及上部轴承，最终由集流腔经封头上的出口流出进入外置冷却器，如图2所示。

图2 水路示意图Fig.2 Schematic diagram of water route

本文利用Ansys icem cfd软件进行网格划分。为了使计算结果更准确，收敛速度更快，本文对整机采用了分块结构网格划分，整机全部为六面体结构网格，质量较高。

2 数学模型与边界条件

2.1 数学模型

本文采用有限体积法进行数值求解，其基本思想是将计算区域划分为网格，并使每个网格节点周围有一个互不重复的控制体积，将待求解的微分方程对每一个控制体积积分，从而得出离散方程。

由于入口雷诺数大于2300，处于湍流状态。计算域内流体为水，视为不可压缩流体，利用Fluent 软件，选择多重参考系计算方法。在旋转坐标系和固定坐标系下，联合求解描述电机内部冷却水速度、压力等物理场的湍流时均质量、动量守恒方程。其中，旋转坐标系下湍流时均质量、动量守恒方程和绝对速度矢量u与相对速度矢量ur的关系如式(1)～式(3)所示。

(ρur)=0

(1)

(ρurur)+ρ(2Ω×ur+Ω×Ω×r)=
-p+τ+F

(2)

u=ur+Ω×r

(3)

固定坐标系下湍流时均质量、动量守恒方程分别如式(4)、式(5)所示。

(ρu)=0

(4)

(5)

ρ——密度；

Ω——为旋转角速度矢量；

r——转动坐标系中微元体的位置矢量；

ρ(2Ω×ur+Ω×Ω×r)——科里奥里力；

F——微元体上的体积力；

τ——因分子粘性作用而产生的作用于微元体表面的粘性应力；

p——压力；

u、v、w——绝对速度矢量u在三个坐标轴方向的速度分量。

关于湍流数学模型[9、10]，由于沿径向流动空间尺寸在毫米数量级，属于边界层粘性剪切力支配的绕圆柱的强制对流流动区域内，沿径向压力速度梯度非常大，因而本文采用了Shear-Stress Transport(SST)k-ω模型，表达式如下：

(6)

式中：Gk——层流速度梯度而产生的湍流动能；

Gω——ω方程产生的湍流动能；

Tk——k的扩散率；

Tω——ω的扩散率；

Yk——扩散产生的湍流；

Yω——扩散产生的湍流；

SK——用户自定义；

Sω——用户自定义。

2.2 边界条件

电机内部一次水入口采用速度入口边界条件，大小根据实验测量得到的辅叶轮额定负荷下的工作点流量折算出具体数值，出口为自由出流；转子转速为1500r/min；针对本文屏蔽电机，在多重参考系下求解，为了符合计算模型要求，将流体区域分成了旋转流体区与静止(相对转速为零)流体区两部分。旋转流体区：该区域位于转轴体区域内部孔隙中的水，随主轴一起转动，其他均属于静止流体区；另外，固体壁面分为两类，一类是静止壁面，另一类是随转轴一起旋转的壁面，即具有切向速度分量的旋转壁面，分别设置转速。

计算过程中，所有网格节点的离散方程组采用分离、隐式求解，其中，压力与速度耦合方程采用SIMPLEC算法，最终，方程组获得稳定的网格独立收敛解。计算过程中，残差取1×10-3。

3 计算结果与分析

3.1 速度迹线分析

图3所示为计算域内用速度数值表示的内部一次水的流动迹线图，图中箭头所指方向为流体流动方向。从图中可以看出流体由机座底部轴芯孔处吸入后，向上流动至辅叶轮处沿轴芯孔径向甩出，一部分向下流动，返回到轴芯水冷通道中，与新进入主循环冷却水汇合；另一部分直接向上呈螺旋线流动形式流经定转子屏蔽套的空腔及上部导轴承，最终由集流腔经封头上的出口流出进入外置冷却器。流动迹线与实际工况下流体流动相一致。图中最大速度82.44m/s位于下飞轮间隙中，为了分析方便，以下按由下到上顺序分别输出重要局部部件中的流动特征并加以分析。

图3 计算域内用速度数值表示的迹线图Fig.3 Trace map stated as speed value of computational domain

3.2 辅叶轮及轴芯孔隙内流体分析

图4所示为辅叶轮及轴芯孔隙内流体运动速度矢量图。辅叶轮处于转子转轴内，随着转子的转动，辅叶轮处的流体也跟着旋转，从矢量图中可以明显看出流体的转动方向，速度最大处为辅叶轮出口处，达到39.76m/s，即出口处半径r最大，线速度达到最大，与理论线速度计算一致。

图4 辅叶轮及轴芯孔隙内流体运动速度矢量图Fig.4 Velocity vector diagram of fluid in auxiliary impeller and shaft poles

图5所示为辅叶轮及轴芯孔隙内流体静压分布云图，从图中可以看出最大压力为辅叶轮出口，即旋转半径最大处，相对静压出口的静压数值为378809.75Pa，最低压力在辅叶轮旋转中心处。由于辅叶轮的旋转使旋转中心处形成了负压，将下部底盖内部的水吸入轴芯孔中，并向上运动，到达辅叶轮后，在离心力的作用下，克服流动阻力，被沿径向甩出。可见，辅叶轮起到了生成负压将流体吸入，同时，使甩出的水升压，能够克服后续流动阻力的作用。

图5 辅叶轮及轴芯孔隙内流体静压分布云图Fig.5 Contours of static pressure of fluid in auxiliary impeller and shaft pores

3.3 下飞轮间隙流体分析

图6所示为下飞轮间隙处的流体运动速度矢量图。该区域的固体部件本身没有热源，流体主要用来冷却下飞轮在运行过程中水摩擦产生的热量，流体速度主要由高速旋转的下飞轮带动，因而该部分流体在流动过程中也在不断转动。从矢量图中可以明显看出流体的旋转，内侧即靠近旋转壁面处的水流速为屏蔽电机中速度峰值，其数值为82.44m/s；而外侧即靠近静止壁面流体速度较小，壁面位置处水的速度为0，与理论分析一致。因此，下飞轮中水的剪切摩擦损耗将较大，合理设计结构，保证下飞轮中的再循环冷却润滑水的流量很重要。

图6 飞轮间隙流体运动速度矢量图Fig.6 Velocity vector diagram of fluid in the flywheel clearance

图7 屏蔽套间隙流体运动速度云图Fig.7 Contours of velocity of fluid in shielding clearance(a) 轴向速度变化;(b) 径向速度变化

3.4 屏蔽套间隙流体分析

图7所示为定转子屏蔽套间隙内的流体运动速度云图。图7(a)为流体轴向速度分布云图，图中流体从下向上流动，与定转子屏蔽套间进行对流换热，带走热量。图7(b)为流体径向速度分布云图。靠近转子屏蔽套侧的流体速度最大，达到48.31m/s。由计算流体力学理论可知转子屏蔽套外侧的线速度应与屏蔽套间隙内流体运动的最大速度相等，从图7(b)中可以看出流体最大速度与理论计算值相等，最小速度0m/s发生在靠近定子屏蔽套壁面位置。

3.5 上导轴承间隙流体分析

图8为上导轴承间隙流体运动速度分布云图。图8(a)图8(b)分别为轴承内外侧间隙流体速度分布云图。该部分流体主要是用来润滑并冷却轴承在工作过程中产生的摩擦损耗。从图中可以看出流体在进入上导轴承前的汇流腔内速度较大，进入导轴承后速度明显减小，这是由于在汇流腔内靠近转轴处，存在无滑移边界，在黏性力作用下，存在一流体薄层，该层内速度梯度较大，流体最大速度在靠近转子轴旋处，而在上导轴承间隙内壁面都是静止壁面，因而速度较小。

图8 上导轴承间隙流体运动速度云图Fig.8 Contours of velocity of fluid in the guide bearing(a) 轴承内侧;(b) 轴承外侧

3.6 封头内流体分析

图9(a)所示为封头内的流体速度云图，图9(b)为该处出口径向截面处的流体速度分布云图。

图9 封头内流体速度分布云图Fig.9 Contours of velocity of fluid in the head(a) 封头内整体;(b) 径向截面

该处的流体经由上导轴承的轴瓦与轴承缝隙的流体汇集到封头内的汇流腔内，最后通过封头出口流出电机。在汇流腔内的流动的水能够带走上部飞轮传递下来的热量，同时也在冷却封头。该处流体即将到达整个电机的出口，从图中可以看出流体贴壁处速度较低，只有在中心处靠近转子轴处，旋转壁面带动与之相邻的水运动，最大速度达到32.67m/s。

根据以上各部件的速度云图及矢量图，可以看出速度轴向及径向分布特点及数值范围，在采用有限元法进行温度场计算时，可以采用对应的对流传热系数实验关联式算出所要计算的壁面上的平均对流传热系数，进行后续计算，或者在采用有限体积法进行温度场计算时，输出某些壁面上的对流传热系数，与实验关联式算出的数值相互对比，分析并检验计算结果的准确性。

3.7 相邻部件衔接处的流体分析

此外，本物理模型的另一优点是可以得到相邻两部件衔接处的流体通道中，流体过渡流动的特征，见图10，该特征是文献[8]所不能提供的。图10所示为飞轮轴承辅叶轮衔接处流体的速度矢量图。在该处流动复杂，水由轴芯孔进入辅叶轮、从辅叶轮甩出到进入汇流腔、再分成两部分，整个过程非常清晰，可以得到水的速度大小、方向等详细信息，避免了人为的中间截面上的假设。这与文献[8]分开建模，分别设置入口边界条件进行分析有着很大的不同。

图10 飞轮辅叶轮轴承衔接处速度矢量图Fig.10 Velocity vector diagram of fluid in the flywheel、auxiliary impeller and guide bearing

4 结论

本文利用有限体积法，采用了Shear-Stress Transport(SST)k-ω模型，针对核主泵屏蔽电机在正常运行工况下内部复杂的流场变化进行了分析，在转子转速和入口速度已知的条件下，利用Ansys Fluent软件计算屏蔽电机内部流场的速度压力分布。针对结果分别对屏蔽电机内的关键部位的流场进行了分析，所得结果与理论分析相一致。得出的结论如下：

最大压力在辅叶轮出口，即旋转半径最大处，最低压力在辅叶轮旋转中心处，最大速度在飞轮贴近旋转壁面处，水的流动迹线表明，在靠近旋转壁面处，水速较大，且沿轴向以螺旋线形式向上流动，在下飞轮、屏蔽套流体间隙中沿径向速度梯度较大。得出的速度分布及数值可为屏蔽电机冷却计算及设计时平均表面对流传热系数计算提供参考数据。此外，可为流场、温度场耦合计算提供检验或比较基准。

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Research of 3D Flow Field of the Water route of Canned Primary Pump Motors in Nuclear Power Stations

LI Cang-xue1，ZHAO Bo-min2，LU Yi-ping2，LV Xiang-ping1

(1.Harbin Electric Machinery Company Limited，Harbin of Heilongjiang Prov.150066，China；2.School of Mechanical & Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin of Heilongjiang Prov. 150080，China)

The canned primary pump motor is an important part of a loop system of the nuclear island in nuclear power stations，while the flow states of the cooling water inside the canned motor directly affect the heat transfer within the motor. Consequently，a three dimensional model of flow field of the whole motor was established. Based on the finite volume method in the computational fluid dynamics theory，the velocity distribution in canned motor was calculated under boundary condition of the velocity inlet of primary water at the rated working point using the Ansys Fluent software . The axial and radial velocity distribution inside the canned motor was obtained by respectively analyzing the flow field of key parts of the canned motor. The results show that，near the rotating wall surface，the water with high velocity flow upward along the axial direction in the form of the spiral line. In the flywheel and the shielding clearance，the fluid velocity along the radial velocity gradient is larger. The research can provide the velocity magnitude and distribution in different locations for the followed temperature field investigation.

The canned motor；Three dimensional flow field；Finite volume method；Computational Fluid Dynamics

2016-05-22

国家科技重大专项(2013ZX06002002)

李藏雪(1966—)，女，学士，高级工程师，从事多种电机优化设计及多场特性研究

TK121

A

0258-0918(2016)04-0533-06