大型屏蔽電機(jī)主泵飛輪間隙流場(chǎng)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(jìn)壓水堆冷屏蔽電機(jī)主泵設(shè)計(jì)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(jì)有大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪。飛輪的設(shè)計(jì)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(jì)采用了雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)。因此，在主泵正常工作時(shí)，飛輪會(huì)與周圍的流體介質(zhì)產(chǎn)生較大的水摩損失，同時(shí)含有軸向溫度梯度的間隙流場(chǎng)，其流場(chǎng)形態(tài)直接影響到溫度的分布和變化，進(jìn)而對(duì)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(huì)對(duì)整個(gè)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(jī)主泵飛輪及其間隙流場(chǎng)所存在的工程問(wèn)題作為研究的出發(fā)點(diǎn)，主要研究?jī)?nèi)容包括：飛輪間隙流場(chǎng)數(shù)值模擬中湍流模型的研究，飛輪間隙流場(chǎng)傳熱機(jī)理的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究，飛輪環(huán)向間隙流場(chǎng)對(duì)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(jì)方法研究。具體的研究?jī)?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(yīng)用半隱式的渦粘

3、格式計(jì)算得到湍流粘度系數(shù)引入到PANS模型，修正了雷諾應(yīng)力各向同性的缺陷，實(shí)現(xiàn)了DNS和RANS之間的平滑過(guò)渡，并與公開的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，成功預(yù)測(cè)出壓力驅(qū)動(dòng)的二次流，進(jìn)一步與已有湍流Taylor-Couette流傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的PANS模型在湍流Taylor-Couette流傳熱問(wèn)題的適用性。
　?。?）核主泵飛輪間隙流場(chǎng)形態(tài)及其傳熱機(jī)理的研究。采用PANS模型對(duì)飛輪間隙流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)飛輪間隙流場(chǎng)中

4、不僅存在大尺度湍流運(yùn)動(dòng)—Taylor渦，同時(shí)在貼近壁面位置，還存在小尺度湍流運(yùn)動(dòng)—G?rtler渦。進(jìn)一步研究不同尺度湍流運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)上述兩個(gè)不同尺度的湍流運(yùn)動(dòng)會(huì)形成兩個(gè)溫度混合過(guò)程，并對(duì)局部的溫度分布造成一定程度的影響。
　?。?）湍流Taylor-Couette流傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究。基于搭建的湍流Taylor-Couette流傳熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了存在軸向溫度梯度和端部流動(dòng)的傳熱實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著間隙流場(chǎng)湍流

5、強(qiáng)度增強(qiáng)，加快了溫度混合的過(guò)程，流場(chǎng)上部高溫側(cè)的熱量傳遞到低溫側(cè)的速度加快。同時(shí)，測(cè)試段下部的端部流動(dòng)可以將熱量及時(shí)帶走，避免熱量的聚集引起的流場(chǎng)整體的溫度升高。
　　（4）飛輪環(huán)向間隙流場(chǎng)動(dòng)力特性下主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算和動(dòng)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(dòng)情況下飛輪環(huán)向間隙流場(chǎng)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(jìn)一步獲得飛輪環(huán)向間隙流場(chǎng)動(dòng)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(dòng)態(tài)特性分析平臺(tái)。最終，對(duì)比分析了飛輪環(huán)向間隙流場(chǎng)動(dòng)力特性與飛輪-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)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(gè)1.5倍轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)信號(hào)，其幅值約為轉(zhuǎn)頻對(duì)應(yīng)的振動(dòng)幅值的1/3。
　?。?）大型屏蔽電機(jī)主泵雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪設(shè)計(jì)方法的研究。首先，對(duì)過(guò)盈裝配工藝對(duì)多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪松脫轉(zhuǎn)速的影響開展實(shí)驗(yàn)研究，并與傳統(tǒng)的飛輪

7、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果表明傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)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(duì)完整的飛輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其結(jié)果更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)大型屏蔽電機(jī)主泵的雙金屬多環(huán)結(jié)構(gòu)飛輪，建立飛輪過(guò)盈裝配相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的響應(yīng)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(jì)方法，并分析不同載荷對(duì)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(jī)主泵飛輪設(shè)計(jì)與系統(tǒng)安全和結(jié)構(gòu)完整性