大型屏蔽电机核主泵屏蔽套间隙流及转子动力学特性研究

发布时间：2020-07-13 02:05

【摘要】：屏蔽电动机核主泵(简称屏蔽电机主泵)是AP系列压水核反应堆一回路的重要组成部分,是反应堆冷却剂回路中长期连续运转的关键设备,其长期稳定的运行是核反应堆安全的重要保障。在屏蔽电机主泵的设计阶段应尽可能准确地分析和预测其转子动力学特性以确保主泵的稳定性和安全性。屏蔽电机主泵是一种立式屏蔽电动机泵,位于泵下侧的屏蔽电机的转子完全浸没在液态反应堆冷却剂中。屏蔽电机定子和转子屏蔽套间狭长间隙内的流动对主泵的转子动力学特性将产生显著影响。准确的转子动力学分析结果也是屏蔽电机主泵轴承设计和转子寿命估计的重要输入条件。为了准确分析和预测屏蔽电机主泵的转子动力学特性,有必要对屏蔽电机屏蔽套间的间隙流动开展系统的研究。本文以屏蔽电机主泵定转子间狭长间隙内的间隙流动为研究对象,针对强湍流状态下的三维间隙流动的动力特性以及屏蔽电机主泵的转子动力学特性开展研究。通过建立间隙流动的理论和数值模型,分析间隙流动作用于转子的作用力和相应的转子动力特性系数,并研究预旋、轴向流动和间隙长度等因素对间隙流动动力特性的影响规律。模拟屏蔽电机主泵的间隙流动设计实验装置,通过实验验证理论和数值模型的有效性。在间隙流动的理论和数值模型基础上,利用数值方法分析屏蔽电机主泵的转子动力学特性。本文主要研究内容具体包括以下几个方面:(1)推导三维圆柱坐标系下描述间隙流动的控制方程,引入旋转坐标系处理方法并选择合理的湍流模型。推导描述间隙流动作用于转子的径向力模型,进一步建立了间隙流动动力特性系数的计算方法。(2)为了求解间隙流动的控制方程,进而获取间隙流动的动力特性系数,讨论和推导相应的数值求解方法。考虑到间隙流动中转子的涡动,本文从三维圆柱坐标系出发,将求解区域映射为圆周对称形式。推导考虑曲线坐标系间坐标变换的有限体积法,实现数值求解网格的参数化、自动化生成方法,研究考虑坐标变换时的速度-压力耦合方法、梯度重建方法和特殊边界条件的实现。为应对大规模的数值计算,探索数值计算程序的并行化求解方法。设计并实现间隙流动动力特性专用分析软件,并将数值分析结果与通用商业流体计算软件和实验相对比,验证数值计算方法的有效性。(3)从两个方面对间隙流动的动力特性开展数值研究,包括入口预旋对间隙流动动力特性影响和间隙流动产生负主刚度的机理。在间隙流动的入口预旋的研究中,讨论预旋在数值分析模型中的实现方法,通过数值方法研究入口预旋对间隙流动动力特性的影响规律。在间隙流动负主刚度的研究中,力图解释间隙流动产生负主刚度的原因与影响因素,主要从间隙流动的轴向流动和间隙长度两个方面开展研究。(4)为验证间隙流动的理论和数值分析模型的正确性,以屏蔽电机主泵间隙流动的关键几何参数为基础,设计制造立式双轴承间隙流动径向力测试实验装置。测量多种工况条件下间隙流动的作用力和动力特性系数,并通过实验手段复现间隙流动的负主刚度现象。将实验结果与理论和数值分析结果相对比,验证分析模型的有效性和正确性。(5)通过三维流场计算模拟屏蔽电机主泵内部复杂流道,研究屏蔽电机主泵间隙流动的入口预旋强度。基于已经获得的间隙流动分析模型,在考虑入口预旋的情况下分析屏蔽电机主泵间隙流动的动力特性,进而分析屏蔽电机主泵转子动力学特性受间隙流动的影响。通过本文对屏蔽电机主泵间隙流动的研究,建立了描述间隙流动的三维数值分析模型和预测间隙流动主刚度正负符号的理论模型。数值分析结果表明间隙流动的动力特性受到入口预旋的影响,交叉刚度系数随入口预旋的增加而显著增加,不利于系统的稳定性。间隙流动在轴向流动减弱或轴向长度增加时趋向于产生负主刚度。对屏蔽电机主泵间隙流动主刚度系数的预测和数值计算都表明其值为负数。间隙流动削弱了屏蔽电机主泵的总体刚度并引入较大的附加质量,最终导致考虑间隙流动时屏蔽电机主泵的一阶临界转速计算值低于忽略间隙流动时的分析结果。对间隙流动动力特性的研究表明间隙流动会对屏蔽电机主泵的转子动力学特性产生显著影响。本文的研究工作可为屏蔽电机主泵的设计制造提供理论依据。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL353.12
【图文】：

屏蔽电机,主泵

缓解大气污染对环境的压力，核电发展受到世AP 系列核反应堆是目前国家正在建设的新一代压水核反机主泵是 AP 系列核反应堆中唯一长期连续运行的关键设”。目前在世界范围内的百万千瓦级核电厂中，屏蔽电机核电站实际应用。鉴于与屏蔽电机泵主泵在各关键参数处首次运用在商用核反应堆上[1]，对屏蔽电机主泵的安全性电机主泵有自身独特的技术特点和难点，其转子动力学特之一[2]。首台 AP 系列核反应堆屏蔽电机主泵由美国 EMD次耐久试验时主泵发生轴承失效，据初步分析产生失效主泵复杂内流场与转子的相互作用，对转子稳定性造成影子屏蔽套间存在狭长间隙，冷却水流经该间隙形成大长径示。该间隙流动与转子之间的复杂动力学行为和多种因转子系统稳定性与安全性的关键因素之一。另外屏蔽电机直接关系到轴承设计和转子的寿命预测，在设计阶段准确子动力学特性至关重要。同时，掌握间隙流动对转子的动是设计更大容量核电机组的技术保障。为确保屏蔽电机未来相似核电机组的安全设计，需要研究能够准确描述该与转子耦合作用的动力学模型，探索间隙流动对转子动力屏蔽电机主泵转子系统的设计和安全性提供科学依据。

辅助叶轮,屏蔽电机,主泵,预旋

图 1-2 屏蔽电机主泵辅助叶轮Figure 1-2 The auxiliary impeller in canned motor RCP.都对入口条件对间隙流动的影响进行了研究。对迷宫密封动力特性的影响，得出入口预旋影响系统的稳定性。Kerr[123]的研究结果表明，在入交叉刚度也会上升。Xi 和 Rhode[124, 125]研究流体流动动力特性的影响，若将流动速度等物理模型中的复数量，那么入口环向速度量的实部对，虚部则对应于对主刚度。Sprowl[45]通过理论和，随着入口预旋的增加，其等效刚度会显著上升irk 等人[126]采用 MRF 方法通过数值计算得到的Sun 等人[127]通过实验研究入口抗预旋装置对迷旋与间隙流动交叉刚度系数之间的关系。2016 技术[118]，研究入口预旋对多种迷宫密封的间隙证了交叉刚度与预旋强度是直接相关的。隙流动

理论分析模型,间隙流动,轴向流动,主刚度

学博士学位论文大型屏蔽电机主泵间隙流动动力析结果表明，间隙流动的主刚度和交叉刚度沿轴向是变化的，置前后的符号（正号和负号）也是不同的，如图 1-4。在 Kano 进行的实验研究中[59]，得出有关间隙流动轴向流动的重要结论时，测试结果与 Fritz 的理论结果相吻合；间隙流动的主刚度-间隙流动耦合系统的总刚度，但主刚度随轴向流动的加强而流动强度下将转变为正值，起到增强转子-间隙流动耦合系统似的实验结果在 Iwatsubo 等人[58]的另一项实验研究中也得到主阻尼随轴向流动增强而增加；附加质量受轴向流动影响较小实验研究结果对屏蔽电机主泵电机间隙流动研究有重要借鉴意刚度符号随轴向流动和间隙长度的变化的相关工作。在屏蔽电设计中，需要知道转子受到来自于间隙流动的作用力，以作为劳寿命分析的输入条件。当主刚度为负值时，转子和轴承受到增加。

【参考文献】