螺旋管布置方式對(duì)核主泵屏蔽電機(jī)溫度場(chǎng)的影響

程琦　路義萍　孫海鋒　艾麗昆　韓家德　謝增林

摘要：屏蔽電機(jī)重要部件的峰值溫度是影響屏蔽電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。對(duì)內(nèi)置螺旋管的屏蔽電機(jī)而言，螺旋管的布置方式影響著屏蔽電機(jī)的溫度場(chǎng)。本文對(duì)某內(nèi)置螺旋管冷卻的屏蔽電機(jī)，分別將螺旋管布置成叉排及順排，并采用基于計(jì)算流體力學(xué)原理（CFD）的有限體積法對(duì)兩種不同布置方式下屏蔽電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，電機(jī)機(jī)殼和一、二次水的溫度分布呈現(xiàn)上部溫度低，下部溫度高的特點(diǎn);雙層螺旋管叉排布置方式時(shí)，冷卻水的換熱量大于其順排布置方式下冷卻水的換熱量，且屏蔽電機(jī)的整體平均溫度高;為屏蔽電機(jī)的內(nèi)置換熱器布置方式的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：屏蔽電機(jī);螺旋管布置方式;溫度場(chǎng);有限體積法;數(shù)值模擬

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.002

中圖分類(lèi)號(hào)： TK124

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2022）04-0010-06

Effect of Spiral Tube Arrangement on Temperature Field

of Canned Motor for Nuclear Pump

CHENG Qi LU Yi-ping SUN Hai-feng AI Li-kun HAN Jia-de XIE Zeng-lin

（1.School of Electric and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China;

2.Harbin Electric Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin 150040， China）

Abstract：The maximum temperature of main components of a canned motor is the key factor affecting the safe and stable operation of the canned motor.?Especially for a canned motor with built-in spiral tube， the arrangement of spiral tube will have a great influence on the temperature field of the canned motor.?In this paper， the physical model of cooling canned motor with built-in spiral tube was established and its internal spiral tube was arranged into two ways of staggered and parallel.?Then， the temperature fields of the canned motor under two different arrangements were numerically simulated and contrastively analyzed by the finite volume method based on the CFD principle.?The temperature distribution of the motor casing and the primary and secondary water shows the characteristics of low temperature in the upper part and high temperature in the lower part.?The heat transfer of cooling water in the arrangement of staggered of double-layer spiral tubes is greather than that in the arrangement of parallel， and the overall average temperature of the canned motor is higher.?It provides a reference for the selection of the layout of the built-in heat exchanger arrangement of the canned motor.

Keywords：canned motor; spiral tube arrangement; thermal fields; finite volume method; numerical simulation

0引言

隨著“十四五”規(guī)劃和碳中和理念的不斷實(shí)施，核能發(fā)電作為一種清潔高效發(fā)電技術(shù)目前處于重要地位[1-3]。核主泵屏蔽電機(jī)作為核電站的重要驅(qū)動(dòng)設(shè)備，直接影響電廠運(yùn)行的安全性及可靠性，為避免核電站產(chǎn)生事故，在設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行核主泵屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)變化的熱設(shè)計(jì)及其數(shù)值模擬研究，具有十分重要的意義[4-7]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各種屏蔽電機(jī)溫度場(chǎng)的影響因素和螺旋管的流動(dòng)傳熱分別進(jìn)行了各種研究。丁樹(shù)業(yè)等[8]對(duì)額定工況下5500kW核主泵屏蔽電機(jī)的熱流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，揭示了屏蔽電機(jī)內(nèi)的溫度分布規(guī)律。仲維濱等[9]建立了屏蔽電機(jī)模型，通過(guò)改變定子端腔表面發(fā)射率，發(fā)現(xiàn)定子端腔表面發(fā)射率的提高使得定子繞組峰值溫度降低。胡家祺[10]通過(guò)對(duì)屏蔽電機(jī)的熱流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了核主泵冷卻劑溫度及連接部件對(duì)屏蔽電機(jī)溫度場(chǎng)的影響。曹力等[11]對(duì)電機(jī)定子屏蔽套的渦流損耗和溫升進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)屏蔽套損耗的敏感性因素進(jìn)行研究。LU Y P等[12]研究了不同的水摩擦損耗計(jì)算方法對(duì)屏蔽電機(jī)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果的影響。畢曉舜等[13]分析了冷卻水流量、水道寬度、水道數(shù)及冷卻水溫對(duì)電機(jī)升溫的影響，為電機(jī)冷卻系統(tǒng)的選擇提供參考。Bornschlegell A S等[14]對(duì)大功率屏蔽電機(jī)進(jìn)行了熱優(yōu)化問(wèn)題的研究。Hu X等[15]研究了定轉(zhuǎn)子之間的氣隙厚度對(duì)電機(jī)升溫和電磁性能的影響，確定了氣隙厚度的最佳取值。黃云云等[16]對(duì)三種截面的螺旋管的流動(dòng)及傳熱進(jìn)行模擬，確定在傳熱性能方面，圓管最佳。Wang Y等[17]對(duì)帶有反向回路和線圈插入件的螺旋管的熱性能進(jìn)行研究。岳清雯等[18]采用熱流耦合的數(shù)值模擬方法分析了殼側(cè)流體的流量和溫度變化對(duì)水平螺旋管換熱器熱流場(chǎng)的影響。董珊珊[19]對(duì)某屏蔽電機(jī)水冷夾套內(nèi)螺旋管的強(qiáng)化換熱進(jìn)行研究。甘劉意等[20]通過(guò)對(duì)兩種螺旋板式換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，分析對(duì)比得出雷諾數(shù)對(duì)換熱器傳熱影響因子、阻力影響因子以及綜合性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的變化規(guī)律。Nabeel J等[21]對(duì)單層螺旋管換熱器進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)螺旋管換熱器沿長(zhǎng)度和徑向方向的溫度進(jìn)行測(cè)定，對(duì)于螺旋管換熱器的設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)的研究具有指導(dǎo)意義。

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者對(duì)屏蔽電機(jī)和螺旋管換熱器內(nèi)部溫度場(chǎng)及其影響因素的研究主要是關(guān)于自身因素，關(guān)于將螺旋管換熱器和屏蔽電機(jī)進(jìn)行整體研究未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本文中，所涉及的核主泵位于屏蔽電機(jī)下方，電機(jī)機(jī)殼外側(cè)布置雙層螺旋管作為一次水的換熱器，用于小型研究堆，是近期核電的重要發(fā)展方向之一。

1模型建立

1.1物理模型

本屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)速由工廠提供，為2922r/min，通過(guò)一、二次冷卻水循環(huán)流動(dòng)來(lái)傳遞熱量進(jìn)而冷卻降溫。一次冷卻水循環(huán)包括一條主循環(huán)回路流動(dòng)和兩條支路循環(huán)流動(dòng)：主循環(huán)冷卻水從定子端蓋一次冷卻水入口進(jìn)入沿軸心孔向下流動(dòng)，流經(jīng)輔葉輪、定轉(zhuǎn)子屏蔽套間隙、轉(zhuǎn)子下部空腔和下導(dǎo)軸承定子封頭徑向孔匯集到匯流腔，最終通過(guò)內(nèi)置螺旋管進(jìn)行冷卻，從一次水出口流出進(jìn)入一次水入口完成主循環(huán)。兩條支路分別為繞經(jīng)上導(dǎo)軸承和繞經(jīng)下導(dǎo)軸承及下飛輪后匯合到主循環(huán)回路。二次冷卻水循環(huán)上部端腔二次水入口進(jìn)入，流經(jīng)循環(huán)槽道到達(dá)下端腔，最終從下端腔外罩板處的二次水出口排出，見(jiàn)圖1。

本屏蔽電機(jī)沿周向?qū)ΨQ分布，考慮物理模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)值計(jì)算的高效性，故選取整機(jī)周向四分之一建立物理模型，Y軸與電機(jī)轉(zhuǎn)軸的中心線重合，X軸和Z軸沿半徑方向，見(jiàn)圖2。

1.2網(wǎng)格劃分

本文運(yùn)用Gambit軟件對(duì)屏蔽電機(jī)物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖3。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格混合使用的方法。Gambit軟件自帶網(wǎng)格評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)0～1的數(shù)值大小進(jìn)行判斷，數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格質(zhì)量要求Equisize skew小于0.97，最終對(duì)全部網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，Equisize skew最差為0.94，多數(shù)為0.1，同時(shí)考慮到一次冷卻水路存在間隙流，并為了滿足數(shù)值計(jì)算的二階迎風(fēng)格式，對(duì)間隙流處網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格數(shù)目為4。最后，為分析螺旋管布置方式對(duì)屏蔽電機(jī)溫度場(chǎng)的影響，將螺旋管由叉排布置改為順排布置，為清晰可見(jiàn)，圖3中給出了整機(jī)模型和重要位置定轉(zhuǎn)子間隙、定子繞組、內(nèi)外套板中間螺旋管采用叉排布置及順排布置時(shí)的局部放大網(wǎng)格圖。

2數(shù)學(xué)模型及求解條件

2.1基本假設(shè)

1）屏蔽電機(jī)內(nèi)流體的馬赫數(shù)（Ma）小于1，故可認(rèn)為不可壓縮流體。

2）流體的物性參數(shù)如密度、比熱容等均為常數(shù)。

3）設(shè)每個(gè)部件熱源按照體積均勻分布。

4）相鄰部件之間無(wú)接觸熱阻存在。

5）一次冷卻水和二次冷卻水的雷諾數(shù)較大（Re>2300），流體的流動(dòng)處于湍流狀態(tài)。

2.2控制方程

根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)理論，對(duì)屏蔽電機(jī)流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，模型中的介質(zhì)滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，控制方程的通用形式為

2.3計(jì)算條件

影響仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素是計(jì)算條件。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，屏蔽電機(jī)熱態(tài)額定工況下的計(jì)算條件;

1）一、二次冷卻水入口速度分別為1.67m/s、1.471m/s，入口溫度分別為48℃、40℃，出口表壓力為0Pa。

2）機(jī)殼表面為同時(shí)考慮自然對(duì)流與輻射的混合邊界條件，對(duì)流換熱系數(shù)為10W/（m²·k），主泵下方冷卻劑溫度為285.1℃。

3）電機(jī)內(nèi)部具有多種損耗，額定工況下，部件損耗考慮了定轉(zhuǎn)子屏蔽套、定轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子銅條、轉(zhuǎn)子端環(huán)、錐形環(huán)和定子齒壓板，數(shù)值較大的熱源強(qiáng)度見(jiàn)表1。

3結(jié)果與分析

3.1電機(jī)溫度分布特征

為保證屏蔽電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)屏蔽電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。為了便于對(duì)屏蔽電機(jī)整體溫度進(jìn)行分析，同時(shí)考慮到在屏蔽電機(jī)定子端腔處繞組溫度較高、鐵心中部處繞組溫度較低[2]，故在屏蔽電機(jī)Y=0.8m、Y=1.3m和整機(jī)45°處做剖面，并給出溫度分布云圖如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，該電機(jī)沿軸向溫度總體分布呈現(xiàn)從上到下溫度逐漸升高的趨勢(shì)，定子繞組端腔中溫度較高，且下端腔的峰值溫度高于上端部。一方面原因是冷卻水沿流動(dòng)方向逐漸升溫，冷卻能力逐漸降低，另一方面，屏蔽電機(jī)下部存在主泵溫度為285.1℃的高水溫，高溫水向四周進(jìn)行熱量傳遞。由于定子繞組端部被氮?dú)馇话獨(dú)馀c繞組端部、氮?dú)馀c機(jī)殼發(fā)生自然對(duì)流換熱，而自然對(duì)流換熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定子繞組中段與冷卻水發(fā)生的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)，故定子繞組端部溫度高，中間段溫度低;屏蔽電機(jī)沿徑向的溫度分布呈現(xiàn)出以定子為中心向半徑增大及半徑減小的方向逐漸降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)槎ㄞD(zhuǎn)子屏蔽套中的冷卻水和機(jī)殼外部的冷卻水溫度較低，熱量總是由高溫傳向低溫。

3.2叉排與順排布置溫度對(duì)比

3.2.1定轉(zhuǎn)子部分溫度分布對(duì)比

雙層螺旋管換熱器的布置方式對(duì)屏蔽電機(jī)內(nèi)部部件的溫度分布具有影響，叉排布置方式下定子繞組的峰值溫度為169.5℃，比順排布置方式下定子繞組的峰值溫度高0.3℃。不同布置方式下定子鐵心齒部及軛部溫度也有差異，均為峰值溫度叉排時(shí)高，但是高出的數(shù)值有限，都不超過(guò)1℃。這是由于叉排布置方式下一次冷卻水的換熱充分，導(dǎo)致叉排布置時(shí)二次冷卻水的溫度高，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱溫差小，而轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子銅條與機(jī)殼換熱器相距較遠(yuǎn)，并且與一次水相隔，故不同布置方式對(duì)轉(zhuǎn)子部分的峰值溫度影響不明顯。

3.2.2電機(jī)內(nèi)部冷卻水溫度分布對(duì)比

屏蔽電機(jī)內(nèi)部具有復(fù)雜的一次冷卻水回路，一次冷卻水在電機(jī)內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，并且位于水路的不同位置具有不同的溫度特征，為方便監(jiān)測(cè)屏蔽電機(jī)不同位置的冷卻水溫度，在劃分網(wǎng)格時(shí)，將一次冷卻水根據(jù)位置進(jìn)行分組，以便于后期監(jiān)測(cè)。不同布置方式下，電機(jī)上部一次冷卻水溫度差異很小，表2給出了具有差異下部位置的一、二次冷卻水溫度數(shù)值。從表中可以看出螺旋管叉排布置時(shí)，二次水出口、下導(dǎo)軸承、匯流腔和下飛輪上部的一次冷卻水高于順排布置方式下相同位置的溫度，說(shuō)明叉排布置換熱效果好;而下飛輪周?chē)跋嘛w輪底部溫度反而低于順排布置方式下相同部位的溫度;順排布置時(shí)的匯流腔水溫低，則更易于實(shí)現(xiàn)二次水?dāng)喙┕收?min之內(nèi)，匯流腔水溫不超過(guò)95℃這一指標(biāo)。

3.2.3機(jī)殼溫度分布對(duì)比

由于機(jī)殼與上下端部存在焊縫，是熱應(yīng)力計(jì)算重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置。為比較雙層螺旋管不同布置方式對(duì)屏蔽電機(jī)機(jī)殼溫度分布的影響，在屏蔽電機(jī)機(jī)殼徑向1/2處做一條軸向溫度采樣線，圖5為該采樣線溫度分布圖。對(duì)比可知，雙層螺旋管不同布置方式對(duì)屏蔽電機(jī)的總體溫度分布趨勢(shì)無(wú)影響，都是上部溫度低，下部溫度高，中部鐵心段相同位置處，基本呈線性變化，叉排時(shí)機(jī)殼溫度高于順排時(shí)，叉排與順排布置方式下機(jī)殼的最高溫度分別為60.9℃、58.8℃，兩者相差2.1℃。機(jī)殼溫度數(shù)值可為后續(xù)熱應(yīng)力計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2.4換熱器內(nèi)冷卻水溫度分布及換熱量對(duì)比

屏蔽電機(jī)的冷卻主要通過(guò)內(nèi)外冷卻回路，一次冷卻水主要冷卻屏蔽電機(jī)內(nèi)部部件并吸收熱量，二次冷卻水主要冷卻一次冷卻水和機(jī)殼，為了說(shuō)明雙層螺旋管換熱器的布置方式對(duì)螺旋管內(nèi)一次冷卻水的冷卻和螺旋槽內(nèi)二次冷卻水的升溫影響，同時(shí)，考慮到雙層螺旋管換熱器的布置方式的區(qū)別主要在于外圈螺旋管，故分別選取雙層螺旋管/槽的內(nèi)圈螺旋管/槽的45°截面中心處及螺旋管的入出口直管截面中心、上端腔及下端腔中的螺旋管/槽45°截面中心處做采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，比較雙層螺旋管順/叉排布置方式下螺旋管/槽內(nèi)冷卻的水的溫度分布，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，對(duì)于螺旋管內(nèi)的一次冷卻水來(lái)說(shuō)，雙層螺旋管的布置方式對(duì)螺旋管內(nèi)一次冷卻水的溫度分布趨勢(shì)無(wú)影響，都是沿著向上流動(dòng)方向溫度逐漸降低，最高溫度位于換熱器下部端腔螺旋管內(nèi)水的入口處，但是叉/順排布置方式下螺旋管內(nèi)冷卻水的最高溫度數(shù)值不同，分別為69.7和65.7℃;對(duì)于二次冷卻水來(lái)說(shuō)，都是沿著向下流動(dòng)方向溫度逐漸升高，二次冷卻水的峰值溫度叉排比順排布置方式下高出3.7℃，說(shuō)明換熱效果更好。

為了進(jìn)一步對(duì)比雙層螺旋管不同布置方式對(duì)換熱的影響，對(duì)不同布置方式下一次冷卻水的放熱量Q₁和二次冷卻水的吸熱量Q₂進(jìn)行計(jì)算并分析，見(jiàn)式3。

由于本臺(tái)屏蔽電機(jī)符合熱平衡要求，故一、二次冷卻水的放、吸熱量等于各自的傳熱熱量。表3為兩種布置方式時(shí)，換熱器中一、二次冷卻水的放、吸熱量。由表3可知，雙層螺旋管叉排布置方式下一、二次冷卻水的放、吸熱量均大于順排布置方式下的數(shù)值，二次冷卻水的吸熱量大于一次冷卻水的放熱量，原因是二次冷卻水溫度最低，不僅吸收一次冷卻水放出的熱量，同時(shí)，還吸收屏蔽電機(jī)經(jīng)由機(jī)殼傳遞出的熱量及下方285.1℃的高溫冷卻劑向上方傳遞的熱量。

4結(jié)論

1）本文研究的主泵位于下方的核主泵屏蔽電機(jī)，溫度分布呈現(xiàn)由上到下溫度逐漸升高的特點(diǎn)。

2）雙層螺旋管叉排布置時(shí)，屏蔽電機(jī)內(nèi)部重要監(jiān)測(cè)部件及冷卻水的峰值溫度高于雙層螺旋管順排布置時(shí)內(nèi)部重要部件及冷卻水的峰值溫度。

3）雙層螺旋管叉排布置方式時(shí)一、二次冷卻水的放、吸熱量大于其順排布置方式下一、二次冷卻水的放、吸熱量。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：溫澤宇）