胡雷，李藏雪

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066))

核主泵屏蔽電機(jī)推力軸承套筒密封環(huán)數(shù)值分析與優(yōu)化*

胡雷，李藏雪

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150066))

基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和Navier-Stokes方程對核主泵屏蔽電機(jī)下飛輪區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了兩種推力軸承套筒密封環(huán)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)流動特征，得到速度、損耗以及壓力脈動等結(jié)果。計算表明，新密封結(jié)構(gòu)可以有效的改善冷卻水流動，減少壓力脈動影響。為核電站主泵電機(jī)推力軸承套筒設(shè)計和優(yōu)化提供了有益的參考。

核主泵屏蔽電機(jī)；推力軸承套筒；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

反應(yīng)堆核主泵使冷卻劑循環(huán)流動，將堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量通過蒸汽發(fā)生器傳輸給二回路[1]。本文研究的核主泵電機(jī)為三相屏蔽異步鼠籠型，電機(jī)通過定、轉(zhuǎn)子屏蔽套將冷卻劑與電機(jī)繞組腔和轉(zhuǎn)子鐵心隔離開，為增加機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量，在轉(zhuǎn)子上安裝了上、下飛輪，提供足夠的惰轉(zhuǎn)時間。其中下飛輪位于上、下推力軸承之間，下飛輪直徑約為1000mm，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，飛輪的高速旋轉(zhuǎn)對冷卻水施加了角動量，導(dǎo)致飛輪區(qū)域的冷卻水流速很高，理論近壁面流速達(dá)到了81.7m/s。高速流動的冷卻水將沖擊下飛輪兩側(cè)的推力軸承瓦塊，可能引起推力軸承各個結(jié)構(gòu)部件的振動和磨損問題，同時流體壓力脈動對結(jié)構(gòu)部件的疲勞和壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。

本文根據(jù)下飛輪區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立下飛輪區(qū)域流動模型，首先對初始推力軸承套筒密封環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了流場計算，計算結(jié)果表明流動存在較大流體沖擊、逆流和壓力波動等。優(yōu)化設(shè)計在套筒上、下區(qū)域設(shè)置兩個不同的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，計算新密封環(huán)結(jié)構(gòu)的冷卻劑瞬態(tài)流動，并將結(jié)果進(jìn)行對比，證明新密封環(huán)結(jié)構(gòu)很好地減低冷卻劑流速和壓力脈動，對推力軸承瓦塊的沖擊減弱，新推力軸承套筒滿足設(shè)計的要求。

1 數(shù)值計算

1.1 幾何模型

下飛輪區(qū)域模型包括：上推力軸承，推力盤/下飛輪裝配體外圓表面和靜止推力軸承套筒之間的環(huán)形間隙以及下推力軸承。因?yàn)槿我夥嵌ǔＡ黧w域的數(shù)值范圍和頻率都是未知的，無法假設(shè)其為軸對稱的，這就意味著需要建立全范圍360°的物理模型。

推力軸承潤滑水膜內(nèi)流動具有局部性，對軸瓦間隙內(nèi)流動影響較小。因此，推力軸承潤滑水膜在此忽略，推力瓦塊后的空腔形狀的細(xì)節(jié)不包括在內(nèi)。圖1是推力軸承套筒采用的初始密封環(huán)結(jié)構(gòu)計算模型。冷卻水由上向下流經(jīng)飛輪圓柱面，飛輪圓柱面對冷卻水做功，冷卻水圓周速度增加，為減少圓周速度，在套筒下面設(shè)置有39個凹槽，均布于軸承套筒上,凹槽長76.2mm，寬12.7mm，深19.05mm。當(dāng)冷卻水旋轉(zhuǎn)流進(jìn)凹槽后，冷卻水撞擊壁面流動速度降低；隨后冷卻水再流出凹槽，與其他未進(jìn)入凹槽內(nèi)的高速冷卻水混合，使流經(jīng)這一區(qū)域的冷卻水速度減小，最終到達(dá)減少對下推力軸承的沖擊作用。

圖1 計算模型

1.2 計算方法及定解條件

本文基于三維、瞬態(tài)、不可壓縮的牛頓流體Navier-Stokes方程，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。近壁區(qū)Re數(shù)較低，湍流發(fā)展并不充分，湍流的脈動影響不如分子粘性的影響大，不能使用前面建立的k-ε模型進(jìn)行計算，采用特殊的方式即壁面函數(shù)來處理。在劃分網(wǎng)格時，只需要把第一個內(nèi)節(jié)點(diǎn)布置在對數(shù)律成立的區(qū)域內(nèi)[2]?？刂品匠痰碾x散采用基于有限元的有限體積方法。擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度項(xiàng)采用有限元形函數(shù)表示，對流項(xiàng)采用高分辯率格式(High Resolution Scheme)。

在軸與上推力軸承室間的環(huán)形區(qū)域設(shè)置進(jìn)口邊界。在此處指定下部軸承循環(huán)CFD模型的流量和流動方向。下推力軸承室和推力盤內(nèi)徑的環(huán)形間隙設(shè)為出口邊界，指定靜壓。固體壁面均設(shè)為無滑移，在近壁區(qū)采用壁面函數(shù)處理。飛輪旋轉(zhuǎn)面指定旋轉(zhuǎn)速度。邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 邊界條件設(shè)置

1.3 網(wǎng)格及監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置

限制建模范圍大小的同時，增加計算域的網(wǎng)格密度，對于非定常流動數(shù)值精度是必要的。圖3顯示了計算域一部分的計算網(wǎng)格。模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，近壁面加密網(wǎng)格以控制y+。

圖3 網(wǎng)格劃分

非定常流動設(shè)置了環(huán)形分布的壓力監(jiān)測點(diǎn)見圖4，像真實(shí)情況中的靜壓測點(diǎn)一樣。推力軸承模型中，在推力盤(旋轉(zhuǎn))和推力軸承套筒(靜止)間的環(huán)形間隙的三個軸向位置對應(yīng)中徑處分別分布120個壓力監(jiān)測點(diǎn)群，呈環(huán)形等距分布。第一個環(huán)狀分布監(jiān)控點(diǎn)群取在上推力軸承的下游；第二個環(huán)狀分布點(diǎn)群取在下飛輪的中間處；第三個環(huán)狀分布點(diǎn)群取在下推力軸承的上游。設(shè)置360個壓力監(jiān)測點(diǎn)有利于實(shí)時監(jiān)控和簡化了后處理。

圖4 監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置

非穩(wěn)態(tài)計算取轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的步數(shù)來劃分時間步長，模型計算轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了8周。這樣是為了可以避免起始的非物理的、數(shù)值瞬態(tài)效應(yīng)，而得到全局穩(wěn)定的總體流場。然后，在足夠的旋轉(zhuǎn)周數(shù)后(至少2周)，選擇壓力監(jiān)測值作為樣本數(shù)據(jù)。

2 下飛輪區(qū)域結(jié)果分析

圖5為下飛輪區(qū)域外圓在3個時間步的靜壓分布。由圖可見，靜壓的分布出現(xiàn)了交替，壓力大小隨下飛輪運(yùn)動而旋轉(zhuǎn)，局部壓力變化較明顯。

圖5 壓力云圖

圖6(a)是上推力軸承壓力極坐標(biāo)圖，顯示3個時間步長的數(shù)據(jù)極坐標(biāo)分布。沿旋轉(zhuǎn)方向出現(xiàn)4個葉狀分布，這與圖5所示施加在飛輪外圓的高低壓力相匹配。旋轉(zhuǎn)壓力分布場對推力軸承結(jié)構(gòu)件的影響表現(xiàn)為相鄰的高低壓區(qū)域經(jīng)過瓦基外圓時，瓦基受擺動載荷的交替作用，容易引起瓦基的振動和磨損。

圖6(b)為下推力軸承壓力數(shù)據(jù)極坐標(biāo)圖。下推力軸承外側(cè)壓力場分布的一般特性和上推力軸承相似。從極坐標(biāo)圖中可知，葉片型式略不明顯。推力軸承區(qū)域的流場很復(fù)雜，非定常行為表現(xiàn)出來了不同的葉型分布也并不意外。

圖6 不同時間步靜壓極坐標(biāo)圖

圖7是下飛輪裝配體外圓面與推力套筒內(nèi)圓面之間的虛擬的中間面上軸向速度彩圖。速度坐標(biāo)被限定在±1m/s之間。此限定利于觀察環(huán)形間隙內(nèi)大面積的逆流現(xiàn)象。逆向流動使上推力軸承和下推力軸承的流場和壓力場通過下飛輪外圓環(huán)形間隙而相互作用。綜合計算結(jié)果可知，應(yīng)該調(diào)整設(shè)計從而改進(jìn)流場分布，以減小壓力脈動的振幅。

圖7 軸向速度圖

3 推力軸承套筒優(yōu)化和分析

3.1 套筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過CFD評估作出了設(shè)計更改，在上推力盤的上邊緣附近和下推力盤的下邊緣附近分別插入可拆卸密封環(huán)?？紤]到轉(zhuǎn)子橫向運(yùn)動和定子各部件的同心度公差，密封環(huán)與對應(yīng)推力盤外圓面的間隙為1.88mm，既實(shí)現(xiàn)了原始目標(biāo)，又不會明顯限制主流動。設(shè)置密封環(huán)的目的是分離三個流場區(qū)域的流動。

圖8 軸承套筒新結(jié)構(gòu)及計算模型

采用CFD分析評估了幾種密封環(huán)的結(jié)構(gòu)，推薦的最終設(shè)計采用如下結(jié)構(gòu)。上部密封環(huán)和下部密封環(huán)采用不同的設(shè)計。上部密封環(huán)是一個具有平整內(nèi)圓面的簡單環(huán)形，其橫斷面為矩形，軸向長度為15.24mm。下部密封環(huán)由兩個厚為15.24mm兩個環(huán)形組成，其與推力盤間隙為1.88mm。36個厚度為12.2mm的橫肋經(jīng)焊接等距分布在兩環(huán)之間。與上部密封環(huán)平滑的結(jié)構(gòu)相比，下部密封環(huán)的肋結(jié)構(gòu)可以減小從推力盤環(huán)形間隙流入下推力軸承流體的切向速度。流動從推力盤環(huán)形間隙進(jìn)入下部軸承時，對流引起非定常流動，而肋結(jié)構(gòu)中肋間的體積對此起到流動減阻的作用。同樣的肋結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)一步將推力盤環(huán)形間隙和上推力軸承隔離。然而，因肋結(jié)構(gòu)密封帶來附加的水力摩擦損耗和流動阻力，故上部密封環(huán)采用平滑結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)壓力云圖如圖9所示。

圖9 新結(jié)構(gòu)壓力云圖

3.2 壓力與速度分析

圖9為新結(jié)構(gòu)計算的3個時間步下飛輪裝配體外圓的靜壓分布。對比圖9和圖5可知，靜壓的分布得到改善，沒有明顯的變化，壓力波動很小。

圖10(a)是上推力軸承靜壓數(shù)據(jù)極坐標(biāo)圖。此圖與圖6(a)相比，包含上部平滑密封環(huán)和下部肋結(jié)構(gòu)密封環(huán)的設(shè)計變更，減小了壓力脈動的振幅。

圖10 新結(jié)構(gòu)靜壓數(shù)據(jù)極坐標(biāo)圖

圖10(b)是下推力軸承靜壓數(shù)據(jù)極坐標(biāo)圖。此圖與圖6(b)相比，壓力脈動的振幅同樣減小了。從下推力軸承圖中明顯看出，壓力變化的值大大減小，對應(yīng)6個推力瓦塊，產(chǎn)生了6個葉片型式的主要特征。沿周向有較小振幅的壓力脈動，總體上說，整個流場是更穩(wěn)定的。

圖11是新結(jié)構(gòu)推力盤/下飛輪裝配體外圓面與推力套筒內(nèi)圓面之間的虛擬的中間面上軸向速度彩圖。速度坐標(biāo)也被限定在±1m/s之間，優(yōu)化模型基本上全部流向下推力軸承，逆流很少。由此結(jié)果可知新設(shè)計改進(jìn)了流場分布。

圖11 軸向速度圖

3.3 摩擦損耗與試驗(yàn)結(jié)果

水摩擦損耗占了屏蔽電機(jī)總損耗中很大的一部分(約15%～40%)。損耗主要由轉(zhuǎn)子部件的直徑和長度、轉(zhuǎn)速和內(nèi)循環(huán)流速決定。新密封環(huán)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部件和固定部件的空間尺寸變小，損耗值將發(fā)生變化。2015年5月15日至6月4號對大型水潤滑推力軸承試驗(yàn)臺進(jìn)行了試驗(yàn)，流量計選用西門子公司的電磁流量計mag5000系列，溫度傳感器選用美國百納公司的Pt100，電渦流位移傳感器選用美國本特利公司的3300系列，各數(shù)據(jù)如表1所示,新結(jié)構(gòu)密封環(huán)試驗(yàn)臺穩(wěn)定性測試結(jié)果均有下降，新密封環(huán)結(jié)構(gòu)損耗計算值與試壓結(jié)果誤差為2.12%。

表1 原結(jié)構(gòu)與新結(jié)構(gòu)損耗、振動對比表

3.4 內(nèi)部流動分析

圖12 速度流線圖

由圖12可知，推力瓦塊間隙內(nèi)流動由推力盤表面驅(qū)動，產(chǎn)向旋渦，且凈流動在上推力軸承向外、在下推力軸承向內(nèi)，推力盤外側(cè)的流場主要受切向速度控制。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型邊界層網(wǎng)格須控制y+值大小在30～500，圖13顯示下飛輪旋轉(zhuǎn)表面y+值滿足要求。

圖13 Yplus分布圖

圖14顯示下飛輪旋轉(zhuǎn)外表面帶動下，旋轉(zhuǎn)的流體撞擊在固定密封環(huán)內(nèi)，使凹槽迎流體的一邊區(qū)域壓力明顯升高。

圖14 軸承套筒凹槽處壓力分布云圖

圖15可知，流動經(jīng)上推力瓦塊間隙流出后沿下飛輪外緣間隙向下流動，流入下推力瓦塊間隙，在瓦塊間隙有旋渦產(chǎn)生。在環(huán)形間隙中產(chǎn)生了泰勒漩渦，泰勒渦有利于能量的傳遞，帶走摩擦產(chǎn)生的熱損耗。

圖15 下飛輪區(qū)域切向速度圖

4 結(jié)語

本文對兩種不同結(jié)構(gòu)的推力軸承套筒流動區(qū)域分別進(jìn)行了瞬態(tài)計算，計算結(jié)果表明，采用推力軸承套筒新密封環(huán)的下飛輪區(qū)域流場流動更加穩(wěn)定平順，壓力脈動幅值波動降低，逆流現(xiàn)象基本消失，上、下推力軸承受到的擾動明顯減少，有利于轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)行。同時新密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致?lián)p耗增加，電機(jī)設(shè)計是可以允許這些參數(shù)在小范圍內(nèi)變化。

[1] 廣東核電培訓(xùn)中心.900MW壓水堆核電站系統(tǒng)與設(shè)備[M].北京：原子能出版社,2006.

[2] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

Numerical Analysis and Optimization for Thrust Bearing Sleeve Sealing Ring of Canned Motor of Nuclear Reactor Coolant Pump

HuLeiandLiCangxue

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited，Harbin 150066，China)

Based on standard k-ε turbulence model and Navier-Stokes equation, the below flywheel area of canned motor of nuclear reactor coolant pump was numerically simulated. This paper researches transient flow characteristics of two sealing ring structures of thrust bearing sleeve, and obtains the results of velocity, losses and pressure pulse. The calculation results show that the new sealing structure can effectively improve the flow of cooling water and reduce the influence of pressure pulse. This paper provides useful references for design and optimization of thrust bearing sleeve of reactor coolant pump motor of nuclear power station.

Canned motor of nuclear reactor coolant pump；thrust bearing sleeve；numerical simulation；optimal design

國家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX06002002-017)

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.03.05

TM303.5

A

1008-7281(2017)02-0014-005

胡雷 男 1982年生；畢業(yè)于上海大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)主要研究流體機(jī)械的設(shè)計，泵水力、電機(jī)內(nèi)部流動分析及試驗(yàn)方面的研究.

2017-01-15