【摘要】：屏蔽電動(dòng)機(jī)核主泵(簡(jiǎn)稱(chēng)屏蔽電機(jī)主泵)是AP系列壓水核反應(yīng)堆一回路的重要組成部分,是反應(yīng)堆冷卻劑回路中長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備,其長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行是核反應(yīng)堆安全的重要保障。在屏蔽電機(jī)主泵的設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性以確保主泵的穩(wěn)定性和安全性。屏蔽電機(jī)主泵是一種立式屏蔽電動(dòng)機(jī)泵,位于泵下側(cè)的屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)子完全浸沒(méi)在液態(tài)反應(yīng)堆冷卻劑中。屏蔽電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子屏蔽套間狹長(zhǎng)間隙內(nèi)的流動(dòng)對(duì)主泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性將產(chǎn)生顯著影響。準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果也是屏蔽電機(jī)主泵軸承設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子壽命估計(jì)的重要輸入條件。為了準(zhǔn)確分析和預(yù)測(cè)屏蔽電機(jī)主泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性,有必要對(duì)屏蔽電機(jī)屏蔽套間的間隙流動(dòng)開(kāi)展系統(tǒng)的研究。本文以屏蔽電機(jī)主泵定轉(zhuǎn)子間狹長(zhǎng)間隙內(nèi)的間隙流動(dòng)為研究對(duì)象,針對(duì)強(qiáng)湍流狀態(tài)下的三維間隙流動(dòng)的動(dòng)力特性以及屏蔽電機(jī)主泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性開(kāi)展研究。通過(guò)建立間隙流動(dòng)的理論和數(shù)值模型,分析間隙流動(dòng)作用于轉(zhuǎn)子的作用力和相應(yīng)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性系數(shù),并研究預(yù)旋、軸向流動(dòng)和間隙長(zhǎng)度等因素對(duì)間隙流動(dòng)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。模擬屏蔽電機(jī)主泵的間隙流動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論和數(shù)值模型的有效性。在間隙流動(dòng)的理論和數(shù)值模型基礎(chǔ)上,利用數(shù)值方法分析屏蔽電機(jī)主泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性。本文主要研究?jī)?nèi)容具體包括以下幾個(gè)方面:(1)推導(dǎo)三維圓柱坐標(biāo)系下描述間隙流動(dòng)的控制方程,引入旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系處理方法并選擇合理的湍流模型。推導(dǎo)描述間隙流動(dòng)作用于轉(zhuǎn)子的徑向力模型,進(jìn)一步建立了間隙流動(dòng)動(dòng)力特性系數(shù)的計(jì)算方法。(2)為了求解間隙流動(dòng)的控制方程,進(jìn)而獲取間隙流動(dòng)的動(dòng)力特性系數(shù),討論和推導(dǎo)相應(yīng)的數(shù)值求解方法�？紤]到間隙流動(dòng)中轉(zhuǎn)子的渦動(dòng),本文從三維圓柱坐標(biāo)系出發(fā),將求解區(qū)域映射為圓周對(duì)稱(chēng)形式。推導(dǎo)考慮曲線坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換的有限體積法,實(shí)現(xiàn)數(shù)值求解網(wǎng)格的參數(shù)化、自動(dòng)化生成方法,研究考慮坐標(biāo)變換時(shí)的速度-壓力耦合方法、梯度重建方法和特殊邊界條件的實(shí)現(xiàn)。為應(yīng)對(duì)大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算,探索數(shù)值計(jì)算程序的并行化求解方法。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)間隙流動(dòng)動(dòng)力特性專(zhuān)用分析軟件,并將數(shù)值分析結(jié)果與通用商業(yè)流體計(jì)算軟件和實(shí)驗(yàn)相對(duì)比,驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的有效性。(3)從兩個(gè)方面對(duì)間隙流動(dòng)的動(dòng)力特性開(kāi)展數(shù)值研究,包括入口預(yù)旋對(duì)間隙流動(dòng)動(dòng)力特性影響和間隙流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)主剛度的機(jī)理。在間隙流動(dòng)的入口預(yù)旋的研究中,討論預(yù)旋在數(shù)值分析模型中的實(shí)現(xiàn)方法,通過(guò)數(shù)值方法研究入口預(yù)旋對(duì)間隙流動(dòng)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。在間隙流動(dòng)負(fù)主剛度的研究中,力圖解釋間隙流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)主剛度的原因與影響因素,主要從間隙流動(dòng)的軸向流動(dòng)和間隙長(zhǎng)度兩個(gè)方面開(kāi)展研究。(4)為驗(yàn)證間隙流動(dòng)的理論和數(shù)值分析模型的正確性,以屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)的關(guān)鍵幾何參數(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)制造立式雙軸承間隙流動(dòng)徑向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置。測(cè)量多種工況條件下間隙流動(dòng)的作用力和動(dòng)力特性系數(shù),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段復(fù)現(xiàn)間隙流動(dòng)的負(fù)主剛度現(xiàn)象。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論和數(shù)值分析結(jié)果相對(duì)比,驗(yàn)證分析模型的有效性和正確性。(5)通過(guò)三維流場(chǎng)計(jì)算模擬屏蔽電機(jī)主泵內(nèi)部復(fù)雜流道,研究屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)的入口預(yù)旋強(qiáng)度。基于已經(jīng)獲得的間隙流動(dòng)分析模型,在考慮入口預(yù)旋的情況下分析屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)的動(dòng)力特性,進(jìn)而分析屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性受間隙流動(dòng)的影響。通過(guò)本文對(duì)屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)的研究,建立了描述間隙流動(dòng)的三維數(shù)值分析模型和預(yù)測(cè)間隙流動(dòng)主剛度正負(fù)符號(hào)的理論模型。數(shù)值分析結(jié)果表明間隙流動(dòng)的動(dòng)力特性受到入口預(yù)旋的影響,交叉剛度系數(shù)隨入口預(yù)旋的增加而顯著增加,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。間隙流動(dòng)在軸向流動(dòng)減弱或軸向長(zhǎng)度增加時(shí)趨向于產(chǎn)生負(fù)主剛度。對(duì)屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)主剛度系數(shù)的預(yù)測(cè)和數(shù)值計(jì)算都表明其值為負(fù)數(shù)。間隙流動(dòng)削弱了屏蔽電機(jī)主泵的總體剛度并引入較大的附加質(zhì)量,最終導(dǎo)致考慮間隙流動(dòng)時(shí)屏蔽電機(jī)主泵的一階臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算值低于忽略間隙流動(dòng)時(shí)的分析結(jié)果。對(duì)間隙流動(dòng)動(dòng)力特性的研究表明間隙流動(dòng)會(huì)對(duì)屏蔽電機(jī)主泵的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響。本文的研究工作可為屏蔽電機(jī)主泵的設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TL353.12
【圖文】：

緩解大氣污染對(duì)環(huán)境的壓力，核電發(fā)展受到世AP 系列核反應(yīng)堆是目前國(guó)家正在建設(shè)的新一代壓水核反機(jī)主泵是 AP 系列核反應(yīng)堆中唯一長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)”。目前在世界范圍內(nèi)的百萬(wàn)千瓦級(jí)核電廠中，屏蔽電機(jī)核電站實(shí)際應(yīng)用。鑒于與屏蔽電機(jī)泵主泵在各關(guān)鍵參數(shù)處首次運(yùn)用在商用核反應(yīng)堆上[1]，對(duì)屏蔽電機(jī)主泵的安全性電機(jī)主泵有自身獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和難點(diǎn)，其轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特之一[2]。首臺(tái) AP 系列核反應(yīng)堆屏蔽電機(jī)主泵由美國(guó) EMD次耐久試驗(yàn)時(shí)主泵發(fā)生軸承失效，據(jù)初步分析產(chǎn)生失效主泵復(fù)雜內(nèi)流場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的相互作用，對(duì)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性造成影子屏蔽套間存在狹長(zhǎng)間隙，冷卻水流經(jīng)該間隙形成大長(zhǎng)徑示。該間隙流動(dòng)與轉(zhuǎn)子之間的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為和多種因轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵因素之一。另外屏蔽電機(jī)直接關(guān)系到軸承設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)子的壽命預(yù)測(cè)，在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確子動(dòng)力學(xué)特性至關(guān)重要。同時(shí)，掌握間隙流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)是設(shè)計(jì)更大容量核電機(jī)組的技術(shù)保障。為確保屏蔽電機(jī)未來(lái)相似核電機(jī)組的安全設(shè)計(jì)，需要研究能夠準(zhǔn)確描述該與轉(zhuǎn)子耦合作用的動(dòng)力學(xué)模型，探索間隙流動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力屏蔽電機(jī)主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安全性提供科學(xué)依據(jù)。

圖 1-2 屏蔽電機(jī)主泵輔助葉輪Figure 1-2 The auxiliary impeller in canned motor RCP.都對(duì)入口條件對(duì)間隙流動(dòng)的影響進(jìn)行了研究。對(duì)迷宮密封動(dòng)力特性的影響，得出入口預(yù)旋影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Kerr[123]的研究結(jié)果表明，在入交叉剛度也會(huì)上升。Xi 和 Rhode[124, 125]研究流體流動(dòng)動(dòng)力特性的影響，若將流動(dòng)速度等物理模型中的復(fù)數(shù)量，那么入口環(huán)向速度量的實(shí)部對(duì)，虛部則對(duì)應(yīng)于對(duì)主剛度。Sprowl[45]通過(guò)理論和，隨著入口預(yù)旋的增加，其等效剛度會(huì)顯著上升irk 等人[126]采用 MRF 方法通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到的Sun 等人[127]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究入口抗預(yù)旋裝置對(duì)迷旋與間隙流動(dòng)交叉剛度系數(shù)之間的關(guān)系。2016 技術(shù)[118]，研究入口預(yù)旋對(duì)多種迷宮密封的間隙證了交叉剛度與預(yù)旋強(qiáng)度是直接相關(guān)的。隙流動(dòng)

學(xué)博士學(xué)位論文 大型屏蔽電機(jī)主泵間隙流動(dòng)動(dòng)力析結(jié)果表明，間隙流動(dòng)的主剛度和交叉剛度沿軸向是變化的，置前后的符號(hào)（正號(hào)和負(fù)號(hào)）也是不同的，如圖 1-4。在 Kano 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究中[59]，得出有關(guān)間隙流動(dòng)軸向流動(dòng)的重要結(jié)論時(shí)，測(cè)試結(jié)果與 Fritz 的理論結(jié)果相吻合；間隙流動(dòng)的主剛度-間隙流動(dòng)耦合系統(tǒng)的總剛度，但主剛度隨軸向流動(dòng)的加強(qiáng)而流動(dòng)強(qiáng)度下將轉(zhuǎn)變?yōu)檎�，起到增�?qiáng)轉(zhuǎn)子-間隙流動(dòng)耦合系統(tǒng)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在 Iwatsubo 等人[58]的另一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究中也得到主阻尼隨軸向流動(dòng)增強(qiáng)而增加；附加質(zhì)量受軸向流動(dòng)影響較小實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)屏蔽電機(jī)主泵電機(jī)間隙流動(dòng)研究有重要借鑒意剛度符號(hào)隨軸向流動(dòng)和間隙長(zhǎng)度的變化的相關(guān)工作。在屏蔽電設(shè)計(jì)中，需要知道轉(zhuǎn)子受到來(lái)自于間隙流動(dòng)的作用力，以作為勞壽命分析的輸入條件。當(dāng)主剛度為負(fù)值時(shí)，轉(zhuǎn)子和軸承受到增加。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2752799