核主泵屏蔽電機內(nèi)部水路三維流場研究

李藏雪，趙博敏，路義萍，呂向平

(1.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066 2.哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080)

核主泵屏蔽電機內(nèi)部水路三維流場研究

李藏雪1，趙博敏2，路義萍2，呂向平1

(1.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066 2.哈爾濱理工大學(xué)機械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080)

核主泵屏蔽電機是核電站核島一次回路系統(tǒng)的重要組成部分，而屏蔽電機內(nèi)部的冷卻水的流動狀態(tài)直接影響電機內(nèi)的熱量傳遞的效果。對此建立了一種屏蔽電機整機的三維流場模型。基于計算流體力學(xué)理論中的有限體積法，利用Ansys Fluent軟件，以實驗得到的額定工況時的一次水流速為邊界條件，反演計算出屏蔽電機內(nèi)部的流場速度分布。針對結(jié)果分別對屏蔽電機內(nèi)的關(guān)鍵部位的三維流場進行了分析，得出屏蔽電機內(nèi)部的軸向及徑向速度分布規(guī)律。計算結(jié)果表明，在靠近旋轉(zhuǎn)壁面處，水速較大，且沿軸向以螺旋線形式向上流動，在下飛輪、屏蔽套間隙流體沿徑向速度梯度較大。該研究可為后續(xù)的溫度場研究提供不同位置處速度分布和數(shù)值。

屏蔽電機；三維流場；有限體積法；計算流體力學(xué)

隨著我國環(huán)保意識的不斷增強和國內(nèi)面臨的日益嚴重的能源緊缺問題，對潔凈發(fā)電技術(shù)的發(fā)展需求不斷增加。核電作為一種新型能源在國民經(jīng)濟中的地位顯得越來越重要。核主泵屏蔽電機是核電站核島一次回路系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運行對冷卻堆芯以及防止發(fā)生核電站事故起著非常關(guān)鍵的作用[1]。而屏蔽電機內(nèi)部的冷卻水的流動狀態(tài)直接影響電機內(nèi)的熱量傳遞的效果，因而對屏蔽電機內(nèi)部流場進行研究非常必要。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對大型汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)溫度場及流體場進行了大量的研究。姚若萍等基于有限元法計算了采用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的大型水輪發(fā)電機在不同工況下的定子三維溫度場，得出了不同工況下定子鐵芯及股線的溫度分布[2]。路義萍等采用有限體積法對空冷汽輪發(fā)電機流場進行了研究[3]。Kuosa等利用ABB公司的300MW空冷汽輪發(fā)電機研發(fā)測試實驗臺，在充分發(fā)展的條件下，考慮轉(zhuǎn)子空氣射流，采用三孔“cobra”傳感器測量氣隙內(nèi)全壓與靜壓，并進行數(shù)值模擬計算[4]。國內(nèi)外對大型空冷汽輪發(fā)電機、空冷電動機等經(jīng)過數(shù)值化、精細化研究其三維流場與溫度場變化規(guī)律已經(jīng)相當成熟，而在屏蔽電機方面，絕大多數(shù)是對其電磁參數(shù)，受力分析等方面研究較多，對整體的流場溫度場進行的研究卻很少。如孫桂瑛等分析了屏蔽電機磁場的特點，用解析法求出了屏蔽電機的磁場分布，進而計算出屏蔽層的渦流損耗，并通過實驗驗證了解析方法的可行性[5]。馮穎慧通過對屏蔽電機主泵電機內(nèi)屏蔽套的應(yīng)力分析，得出各載荷在電機內(nèi)屏蔽套上產(chǎn)生的應(yīng)力低于屏蔽套材料的屈服強度，可保證屏蔽套的完整性[6]。丁樹業(yè)等以一臺5500kW核主泵屏蔽電機為例，建立流體場與溫度場耦合的求解域物理數(shù)學(xué)模型，通過計算揭示了核主泵屏蔽電機內(nèi)溫度的分布規(guī)律[7]。成德等將核主泵電機內(nèi)部流場根據(jù)結(jié)構(gòu)特點分成四部分，針對每一部分分別建立物理模型，然后分別模擬計算[8]。本文不同于文獻[7-8]，以一種典型的外置換熱器的屏蔽電機為例，采用計算流體力學(xué)(CFD)方法，選用剪切應(yīng)力傳輸(SST)k-ω兩方程湍流模型等，研究額定運行工況下電機內(nèi)的流場變化情況，此外，本文建立了屏蔽電機的整機模型，能夠更好地觀察其內(nèi)部的流場的變化規(guī)律，所得結(jié)論為屏蔽電機冷卻計算及設(shè)計提供參考。

1 物理模型與網(wǎng)格劃分

本文研究的電機為立式鼠籠三相四極異步屏蔽電動機，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，頻率為50Hz，定子繞組形式為雙層短距。采用Solidworks軟件建立了整機的物理模型，如圖1所示。

圖1 整機模型Fig.1 The whole machine model

對建立的三維物理模型進行布爾運算得到整機的流場模型。外置換熱器中流出的冷卻水由機座底部軸芯孔處吸入后，向上流動至輔葉輪處沿軸芯孔徑向依靠旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力甩出，一部分向下流動冷卻及潤滑轉(zhuǎn)子下部空腔中的下導(dǎo)軸承及下飛輪內(nèi)裝置后返回到軸心水冷通道中，與新進入主循環(huán)冷水匯合返回軸芯孔下部向上流動；另一部分直接向上流動繼續(xù)冷卻定轉(zhuǎn)子屏蔽套及上部軸承，最終由集流腔經(jīng)封頭上的出口流出進入外置冷卻器，如圖2所示。

圖2 水路示意圖Fig.2 Schematic diagram of water route

本文利用Ansys icem cfd軟件進行網(wǎng)格劃分。為了使計算結(jié)果更準確，收斂速度更快，本文對整機采用了分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，整機全部為六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，質(zhì)量較高。

2 數(shù)學(xué)模型與邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文采用有限體積法進行數(shù)值求解，其基本思想是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格節(jié)點周圍有一個互不重復(fù)的控制體積，將待求解的微分方程對每一個控制體積積分，從而得出離散方程。

由于入口雷諾數(shù)大于2300，處于湍流狀態(tài)。計算域內(nèi)流體為水，視為不可壓縮流體，利用Fluent 軟件，選擇多重參考系計算方法。在旋轉(zhuǎn)坐標系和固定坐標系下，聯(lián)合求解描述電機內(nèi)部冷卻水速度、壓力等物理場的湍流時均質(zhì)量、動量守恒方程。其中，旋轉(zhuǎn)坐標系下湍流時均質(zhì)量、動量守恒方程和絕對速度矢量u與相對速度矢量ur的關(guān)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)

固定坐標系下湍流時均質(zhì)量、動量守恒方程分別如式(4)、式(5)所示。

(ρu)=0

(4)

(5)

ρ——密度；

Ω——為旋轉(zhuǎn)角速度矢量；

r——轉(zhuǎn)動坐標系中微元體的位置矢量；

ρ(2Ω×ur+Ω×Ω×r)——科里奧里力；

F——微元體上的體積力；

τ——因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用于微元體表面的粘性應(yīng)力；

p——壓力；

u、v、w——絕對速度矢量u在三個坐標軸方向的速度分量。

關(guān)于湍流數(shù)學(xué)模型[9、10]，由于沿徑向流動空間尺寸在毫米數(shù)量級，屬于邊界層粘性剪切力支配的繞圓柱的強制對流流動區(qū)域內(nèi)，沿徑向壓力速度梯度非常大，因而本文采用了Shear-Stress Transport(SST)k-ω模型，表達式如下：

(6)

式中：Gk——層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能；

Gω——ω方程產(chǎn)生的湍流動能；

Tk——k的擴散率；

Tω——ω的擴散率；

Yk——擴散產(chǎn)生的湍流；

Yω——擴散產(chǎn)生的湍流；

SK——用戶自定義；

Sω——用戶自定義。

2.2 邊界條件

電機內(nèi)部一次水入口采用速度入口邊界條件，大小根據(jù)實驗測量得到的輔葉輪額定負荷下的工作點流量折算出具體數(shù)值，出口為自由出流；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1500r/min；針對本文屏蔽電機，在多重參考系下求解，為了符合計算模型要求，將流體區(qū)域分成了旋轉(zhuǎn)流體區(qū)與靜止(相對轉(zhuǎn)速為零)流體區(qū)兩部分。旋轉(zhuǎn)流體區(qū)：該區(qū)域位于轉(zhuǎn)軸體區(qū)域內(nèi)部孔隙中的水，隨主軸一起轉(zhuǎn)動，其他均屬于靜止流體區(qū)；另外，固體壁面分為兩類，一類是靜止壁面，另一類是隨轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)的壁面，即具有切向速度分量的旋轉(zhuǎn)壁面，分別設(shè)置轉(zhuǎn)速。

計算過程中，所有網(wǎng)格節(jié)點的離散方程組采用分離、隱式求解，其中，壓力與速度耦合方程采用SIMPLEC算法，最終，方程組獲得穩(wěn)定的網(wǎng)格獨立收斂解。計算過程中，殘差取1×10-3。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 速度跡線分析

圖3所示為計算域內(nèi)用速度數(shù)值表示的內(nèi)部一次水的流動跡線圖，圖中箭頭所指方向為流體流動方向。從圖中可以看出流體由機座底部軸芯孔處吸入后，向上流動至輔葉輪處沿軸芯孔徑向甩出，一部分向下流動，返回到軸芯水冷通道中，與新進入主循環(huán)冷卻水匯合；另一部分直接向上呈螺旋線流動形式流經(jīng)定轉(zhuǎn)子屏蔽套的空腔及上部導(dǎo)軸承，最終由集流腔經(jīng)封頭上的出口流出進入外置冷卻器。流動跡線與實際工況下流體流動相一致。圖中最大速度82.44m/s位于下飛輪間隙中，為了分析方便，以下按由下到上順序分別輸出重要局部部件中的流動特征并加以分析。

圖3 計算域內(nèi)用速度數(shù)值表示的跡線圖Fig.3 Trace map stated as speed value of computational domain

3.2 輔葉輪及軸芯孔隙內(nèi)流體分析

圖4所示為輔葉輪及軸芯孔隙內(nèi)流體運動速度矢量圖。輔葉輪處于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，輔葉輪處的流體也跟著旋轉(zhuǎn)，從矢量圖中可以明顯看出流體的轉(zhuǎn)動方向，速度最大處為輔葉輪出口處，達到39.76m/s，即出口處半徑r最大，線速度達到最大，與理論線速度計算一致。

圖4 輔葉輪及軸芯孔隙內(nèi)流體運動速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram of fluid in auxiliary impeller and shaft poles

圖5所示為輔葉輪及軸芯孔隙內(nèi)流體靜壓分布云圖，從圖中可以看出最大壓力為輔葉輪出口，即旋轉(zhuǎn)半徑最大處，相對靜壓出口的靜壓數(shù)值為378809.75Pa，最低壓力在輔葉輪旋轉(zhuǎn)中心處。由于輔葉輪的旋轉(zhuǎn)使旋轉(zhuǎn)中心處形成了負壓，將下部底蓋內(nèi)部的水吸入軸芯孔中，并向上運動，到達輔葉輪后，在離心力的作用下，克服流動阻力，被沿徑向甩出。可見，輔葉輪起到了生成負壓將流體吸入，同時，使甩出的水升壓，能夠克服后續(xù)流動阻力的作用。

圖5 輔葉輪及軸芯孔隙內(nèi)流體靜壓分布云圖Fig.5 Contours of static pressure of fluid in auxiliary impeller and shaft pores

3.3 下飛輪間隙流體分析

圖6所示為下飛輪間隙處的流體運動速度矢量圖。該區(qū)域的固體部件本身沒有熱源，流體主要用來冷卻下飛輪在運行過程中水摩擦產(chǎn)生的熱量，流體速度主要由高速旋轉(zhuǎn)的下飛輪帶動，因而該部分流體在流動過程中也在不斷轉(zhuǎn)動。從矢量圖中可以明顯看出流體的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)側(cè)即靠近旋轉(zhuǎn)壁面處的水流速為屏蔽電機中速度峰值，其數(shù)值為82.44m/s；而外側(cè)即靠近靜止壁面流體速度較小，壁面位置處水的速度為0，與理論分析一致。因此，下飛輪中水的剪切摩擦損耗將較大，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，保證下飛輪中的再循環(huán)冷卻潤滑水的流量很重要。

圖6 飛輪間隙流體運動速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of fluid in the flywheel clearance

圖7 屏蔽套間隙流體運動速度云圖Fig.7 Contours of velocity of fluid in shielding clearance(a) 軸向速度變化;(b) 徑向速度變化

3.4 屏蔽套間隙流體分析

圖7所示為定轉(zhuǎn)子屏蔽套間隙內(nèi)的流體運動速度云圖。圖7(a)為流體軸向速度分布云圖，圖中流體從下向上流動，與定轉(zhuǎn)子屏蔽套間進行對流換熱，帶走熱量。圖7(b)為流體徑向速度分布云圖。靠近轉(zhuǎn)子屏蔽套側(cè)的流體速度最大，達到48.31m/s。由計算流體力學(xué)理論可知轉(zhuǎn)子屏蔽套外側(cè)的線速度應(yīng)與屏蔽套間隙內(nèi)流體運動的最大速度相等，從圖7(b)中可以看出流體最大速度與理論計算值相等，最小速度0m/s發(fā)生在靠近定子屏蔽套壁面位置。

3.5 上導(dǎo)軸承間隙流體分析

圖8為上導(dǎo)軸承間隙流體運動速度分布云圖。圖8(a)圖8(b)分別為軸承內(nèi)外側(cè)間隙流體速度分布云圖。該部分流體主要是用來潤滑并冷卻軸承在工作過程中產(chǎn)生的摩擦損耗。從圖中可以看出流體在進入上導(dǎo)軸承前的匯流腔內(nèi)速度較大，進入導(dǎo)軸承后速度明顯減小，這是由于在匯流腔內(nèi)靠近轉(zhuǎn)軸處，存在無滑移邊界，在黏性力作用下，存在一流體薄層，該層內(nèi)速度梯度較大，流體最大速度在靠近轉(zhuǎn)子軸旋處，而在上導(dǎo)軸承間隙內(nèi)壁面都是靜止壁面，因而速度較小。

圖8 上導(dǎo)軸承間隙流體運動速度云圖Fig.8 Contours of velocity of fluid in the guide bearing(a) 軸承內(nèi)側(cè);(b) 軸承外側(cè)

3.6 封頭內(nèi)流體分析

圖9(a)所示為封頭內(nèi)的流體速度云圖，圖9(b)為該處出口徑向截面處的流體速度分布云圖。

圖9 封頭內(nèi)流體速度分布云圖Fig.9 Contours of velocity of fluid in the head(a) 封頭內(nèi)整體;(b) 徑向截面

該處的流體經(jīng)由上導(dǎo)軸承的軸瓦與軸承縫隙的流體匯集到封頭內(nèi)的匯流腔內(nèi)，最后通過封頭出口流出電機。在匯流腔內(nèi)的流動的水能夠帶走上部飛輪傳遞下來的熱量，同時也在冷卻封頭。該處流體即將到達整個電機的出口，從圖中可以看出流體貼壁處速度較低，只有在中心處靠近轉(zhuǎn)子軸處，旋轉(zhuǎn)壁面帶動與之相鄰的水運動，最大速度達到32.67m/s。

根據(jù)以上各部件的速度云圖及矢量圖，可以看出速度軸向及徑向分布特點及數(shù)值范圍，在采用有限元法進行溫度場計算時，可以采用對應(yīng)的對流傳熱系數(shù)實驗關(guān)聯(lián)式算出所要計算的壁面上的平均對流傳熱系數(shù)，進行后續(xù)計算，或者在采用有限體積法進行溫度場計算時，輸出某些壁面上的對流傳熱系數(shù)，與實驗關(guān)聯(lián)式算出的數(shù)值相互對比，分析并檢驗計算結(jié)果的準確性。

3.7 相鄰部件銜接處的流體分析

此外，本物理模型的另一優(yōu)點是可以得到相鄰兩部件銜接處的流體通道中，流體過渡流動的特征，見圖10，該特征是文獻[8]所不能提供的。圖10所示為飛輪軸承輔葉輪銜接處流體的速度矢量圖。在該處流動復(fù)雜，水由軸芯孔進入輔葉輪、從輔葉輪甩出到進入?yún)R流腔、再分成兩部分，整個過程非常清晰，可以得到水的速度大小、方向等詳細信息，避免了人為的中間截面上的假設(shè)。這與文獻[8]分開建模，分別設(shè)置入口邊界條件進行分析有著很大的不同。

圖10 飛輪輔葉輪軸承銜接處速度矢量圖Fig.10 Velocity vector diagram of fluid in the flywheel、auxiliary impeller and guide bearing

4 結(jié)論

本文利用有限體積法，采用了Shear-Stress Transport(SST)k-ω模型，針對核主泵屏蔽電機在正常運行工況下內(nèi)部復(fù)雜的流場變化進行了分析，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和入口速度已知的條件下，利用Ansys Fluent軟件計算屏蔽電機內(nèi)部流場的速度壓力分布。針對結(jié)果分別對屏蔽電機內(nèi)的關(guān)鍵部位的流場進行了分析，所得結(jié)果與理論分析相一致。得出的結(jié)論如下：

最大壓力在輔葉輪出口，即旋轉(zhuǎn)半徑最大處，最低壓力在輔葉輪旋轉(zhuǎn)中心處，最大速度在飛輪貼近旋轉(zhuǎn)壁面處，水的流動跡線表明，在靠近旋轉(zhuǎn)壁面處，水速較大，且沿軸向以螺旋線形式向上流動，在下飛輪、屏蔽套流體間隙中沿徑向速度梯度較大。得出的速度分布及數(shù)值可為屏蔽電機冷卻計算及設(shè)計時平均表面對流傳熱系數(shù)計算提供參考數(shù)據(jù)。此外，可為流場、溫度場耦合計算提供檢驗或比較基準。

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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

國家科技重大專項(2013ZX06002002)

李藏雪(1966—)，女，學(xué)士，高級工程師，從事多種電機優(yōu)化設(shè)計及多場特性研究

TK121

A

0258-0918(2016)04-0533-06