大型屏蔽電機主泵飛輪間隙流場傳熱特性及其結(jié)構(gòu)完整性研究.pdf

1、目前，在第三代先進壓水堆冷屏蔽電機主泵設(shè)計中，為了避免事故情況下發(fā)生熔堆事故，主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計有大轉(zhuǎn)動慣量的飛輪。飛輪的設(shè)計受限于狹小的安裝空間以及高溫水環(huán)境中，為減小飛輪體積，飛輪設(shè)計采用了雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，在主泵正常工作時，飛輪會與周圍的流體介質(zhì)產(chǎn)生較大的水摩損失，同時含有軸向溫度梯度的間隙流場，其流場形態(tài)直接影響到溫度的分布和變化，進而對飛輪結(jié)構(gòu)完整性造成影響，而且飛輪環(huán)向壁面所承受的流體力也會對整個飛輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成

2、影響。
　　本文是以大型屏蔽電機主泵飛輪及其間隙流場所存在的工程問題作為研究的出發(fā)點，主要研究內(nèi)容包括：飛輪間隙流場數(shù)值模擬中湍流模型的研究，飛輪間隙流場傳熱機理的數(shù)值和實驗研究，飛輪環(huán)向間隙流場對飛輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的研究、雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪設(shè)計方法研究。具體的研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　?。?）飛輪間隙流數(shù)值模擬中PANS模型（Partially-Averaged Navier-Stokes）的研究。本文應用半隱式的渦粘

3、格式計算得到湍流粘度系數(shù)引入到PANS模型，修正了雷諾應力各向同性的缺陷，實現(xiàn)了DNS和RANS之間的平滑過渡，并與公開的實驗數(shù)據(jù)進行對比，成功預測出壓力驅(qū)動的二次流，進一步與已有湍流Taylor-Couette流傳熱實驗進行對比，驗證了本文提出的PANS模型在湍流Taylor-Couette流傳熱問題的適用性。
　　（2）核主泵飛輪間隙流場形態(tài)及其傳熱機理的研究。采用PANS模型對飛輪間隙流場進行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)飛輪間隙流場中

4、不僅存在大尺度湍流運動—Taylor渦，同時在貼近壁面位置，還存在小尺度湍流運動—G?rtler渦。進一步研究不同尺度湍流運動對流場傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)上述兩個不同尺度的湍流運動會形成兩個溫度混合過程，并對局部的溫度分布造成一定程度的影響。
　　（3）湍流Taylor-Couette流傳熱特性的實驗研究?；诖罱ǖ耐牧鱐aylor-Couette流傳熱實驗平臺，開展了存在軸向溫度梯度和端部流動的傳熱實驗。實驗結(jié)果表明，隨著間隙流場湍流

5、強度增強，加快了溫度混合的過程，流場上部高溫側(cè)的熱量傳遞到低溫側(cè)的速度加快。同時，測試段下部的端部流動可以將熱量及時帶走，避免熱量的聚集引起的流場整體的溫度升高。
　?。?）飛輪環(huán)向間隙流場動力特性下主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計算和動態(tài)特性的研究。首先，基于PANS模型，開展飛輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)渦動情況下飛輪環(huán)向間隙流場的數(shù)值模擬，并提取作用在飛輪環(huán)向壁面上的流體力，進一步獲得飛輪環(huán)向間隙流場動力特性。其次，采用Timoshenko梁構(gòu)建飛

6、輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元模型，并基于MATLAB/Simulink搭建動態(tài)特性分析平臺。最終，對比分析了飛輪環(huán)向間隙流場動力特性與飛輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和動態(tài)特性之間的關(guān)系，結(jié)果表明由于飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速提高了1.52%，并存在一個1.5倍轉(zhuǎn)頻的振動信號，其幅值約為轉(zhuǎn)頻對應的振動幅值的1/3。
　?。?）大型屏蔽電機主泵雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪設(shè)計方法的研究。首先，對過盈裝配工藝對多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪松脫轉(zhuǎn)速的影響開展實驗研究，并與傳統(tǒng)的飛輪

7、設(shè)計方法進行對比，其結(jié)果表明傳統(tǒng)設(shè)計方法不適用于結(jié)構(gòu)復雜的多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪。在考慮了飛輪裝配工藝的差異性和重力作用的前提下，采用有限元法對完整的飛輪結(jié)構(gòu)進行分析，其結(jié)果更接近實驗結(jié)果。并在此基礎(chǔ)上，針對大型屏蔽電機主泵的雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪，建立飛輪過盈裝配相關(guān)設(shè)計參數(shù)的響應面模型，最終提出了一種適用于雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪的設(shè)計方法，并分析不同載荷對飛輪結(jié)構(gòu)完整性的影響。
　　綜上所述，本文從大型屏蔽電機主泵飛輪設(shè)計與系統(tǒng)安全和結(jié)構(gòu)完整性