转子跌落保护系统试验台架的设计和研究

朱 亮，王 宏

（清华大学 核能与新能源技术研究院，先进核能技术协同创新中心，北京 100084）

核能被认为是一种清洁的、高效的能源，可在相当长的时间内解决人类的能源问题。高温气冷堆具有固有安全性和高度模块化，被认为是第4代核电站的堆型之一［1-2］。清华大学核能与新能源技术研究院设计建造的10 MWe高温气冷堆（HTR-10），是世界上第一座具有固有安全特性的模块式球床高温气冷堆。高温气冷堆示范工程（HTR-PM）是在HTR-10 基础上建设的世界第一座模块式高温气冷堆商业发电站。一回路氦气循环风机（以下简称主氦风机）是HTR-PM 工程关键设备，其功能是在反应堆启动、功率运行和停堆等工况时提供足够流量的氦气通过一回路系统，将反应堆堆芯产生的热量带走。主氦风机为立式、变频、高速大型风机，单机功率为4 500kWe，额定转速为4 000r／min，具有效率高、结构紧凑、无泄漏等特点［3］。主氦风机整机安装在一回路压力壳内，为了防止一回路高纯氦气被泄漏的润滑油污染，主氦风机采用电磁轴承支承。电磁轴承使用电磁力支承转子运动，轴承定子和转子之间不直接接触，与传统机械轴承相比，具有摩擦阻力小、无需润滑等优点，可满足主氦风机的特殊运行要求。辅助轴承是电磁轴承系统中的重要组成部分，通常采用无油润滑的滚动或滑动轴承的结构形式，其主要功能是在停机状态下对转子提供支承作用，以进行正常的调试和维护工作。辅助轴承更重要的功能是在转子高速运转时，若电磁轴承发生失电或其他故障，转子失去电磁力的支承而高速跌落时，辅助轴承临时代替电磁轴承对转子进行支承，使转子逐渐减速至停止状态，而不至于损坏其他设备，从而起到保护轴承和转子系统的作用。

在转子高速跌落过程中，转子的动能有很大一部分被辅助轴承吸收而转化为热能和机械能，因此转子跌落事故对辅助轴承是一破坏性的过程。在HTR-PM 主氦风机中，辅助轴承使用的是滑动轴承，其可承受的满转速转子跌落次数有一定限制，当超过规定次数后，必须更换辅助轴承，由此会给核电站的运行带来巨大的经济损失。因此，如何减小转子跌落对辅助轴承的破坏作用，延长辅助轴承的寿命，成为亟待解决的课题。气体轴承是一种用高压的气体作为润滑剂的轴承，根据承载能力的产生原理，可分为动压气体轴承、静压气体轴承和压膜气体轴承［4］。气体轴承的结构和电磁轴承具有一定的相似之处。因此，本文设计一种转子跌落保护系统，该保护系统采用与气体轴承类似的工作原理，在转子跌落的情况下为辅助轴承提供一定的缓冲作用，从而起到保护辅助轴承的作用。为验证该保护系统的可靠性，设计一套专门的试验台架以模拟其工作过程。为模拟转子跌落时对辅助轴承的冲击，还设计一套采用与电磁轴承原理类似的电磁载荷模拟器，用来提供轴向载荷。本文将介绍试验台架的结构和特点，以及作为加载器的电磁载荷模拟器的结构和校核计算结果。

1 设计参数输入

试验台架需模拟主氦风机在不同转速下的工况，即在调速范围内对模拟转轴提供与真实工况下类似的轴向负载，以试验转子跌落保护系统是否能在这种工况下发生转子跌落时对辅助轴承提供一定的缓冲作用，并验证这种缓冲作用的效果。表1列出了主氦风机的相关设计参数。由表1可看出，风机转子所受到的轴向载荷主要来自于转子自重和气动力的合力。

表1 主氦风机相关设计参数Table 1 Parameters of helium circulator

由于主氦风机的转子自重和气动力合力达85kN，在进行保护系统试验研究时，不可能也没有必要制作一个85kN 重的转子，因此需设计一个载荷模拟器，模拟转子跌落时受到的冲击力。该模拟器需满足以下条件：1）能模拟转子运转时所受到的轴向载荷，最大载荷大于85kN；2）不能改变转子的动力学特性，因此载荷模拟器不应与转子有直接接触；3）载荷的加载和改变需实时进行。

因此，本文设计了一种采用与电磁轴承原理类似的电磁载荷模拟器，通过电流产生的电磁力可直接在模拟转子上加载轴向载荷，其设计基准参数列于表2。

表2 电磁载荷模拟器设计基准参数Table 2 Design basis parameters of magnetic load simulator

2 试验台架设计

为在转子跌落时对辅助轴承提供一定的缓冲作用，减小摩擦热对滑动轴承的破坏作用，本文设计一种模拟辅助轴承，采用气体轴承和滑动轴承相结合的方式，实现对辅助轴承的保护。图1为模拟辅助轴承的工作原理图。该模拟辅助轴承的外形尺寸与实际使用的辅助轴承相同，但在轴承转子（动环）的上下端面上加工了一定数量的螺旋槽，在轴承定子（静环）对应的端面上设置供气孔，供气孔与外部压缩气源通过管道连接，通过快开阀门控制启停。在电磁轴承正常工作时，保护系统不工作，快开阀门关闭。当电磁轴承发生跌落或有可能产生跌落事故的报警时，快开阀门迅速打开，高压氦气通过气孔进入辅助轴承的间隙中形成润滑气膜以支承转子，直至转子停止旋转。

图1 模拟辅助轴承工作原理图Fig.1 Schematic diagram of simulating auxiliary bearing

为验证该转子跌落保护系统的可靠性，模拟风机转子在电磁轴承失效后跌落时受到的冲击，本文设计一套试验台架，图2为试验台架示意图。试验台架采用立式布置，分为上下两层平台，上层平台安装有一台高速调频电机，电机调速范围模拟实际工况，为800～4 000r／min。电机轴端通过平台上的孔洞延伸到平台以下，与一根模拟转轴通过联轴器连接。模拟辅助轴承转子安装在模拟转轴上。模拟辅助轴承定子安装在下层平台，并通过管道与快开阀门和压缩气源连接。下层平台中部安装有电磁载荷模拟器的定子部分，模拟转轴的下部设计加工有法兰，以作为电磁载荷模拟器的转子部分。联轴器在轴向上具有一定的伸缩性。

图2 试验台架示意图Fig.2 Schematic diagram of experiment platform

试验开始前，快开阀门关闭，电磁载荷模拟器不工作。电机启动后，当模拟转轴达到一定转速后，进入试验状态，电磁载荷模拟器启动对模拟转轴提供一定的模拟轴向载荷；与此同时电机变频器掉电，电机转子和模拟转轴进入惰转和跌落状态；同时快开阀门开启，压缩气体进入模拟辅助轴承定、转子端面间的空隙，形成一个薄气体层作为润滑气膜以起到支承和保护转子的作用。因为电机变频器、电磁载荷模拟器和快开阀门采用电动控制，因此其动作可认为是同时进行的。当转子停止旋转后，拆下模拟辅助轴承，检查端面磨损情况，进行试验效果评估。

3 电磁载荷模拟器

由于在试验中仅需模拟转子跌落时受到的轴向载荷，所以电磁载荷模拟器只需在轴向的1个方向加载，因此只需在推力盘下方设计一个定子。根据表2中的设计基准参数，设计一套电磁载荷模拟器系统，其定子由实心铁磁材料40CrNiMoA 制造，环状电磁铁的环形槽内嵌入励磁绕组，其结构如图3所示。定转子之间的间隙为1 mm，根据图3 中的尺寸可计算出电磁载荷模拟器的设计结构参数（表3）。

图3 电磁载荷模拟器系统示意图Fig.3 Schematic diagram of magnetic load simulator

表3 电磁载荷模拟器设计结构参数Table 3 Design parameters of magnetic load simulator

为了计算绕组的匝数N，引入式（1）［5］：

其中：Ba为设定磁通密度；μ0 为空气磁导率；Imax为最大励磁电流；x0为定转子间隙。

则绕组匝数为：

实际选取80匝，按照要求绕成环状绕组。

4 设计参数校核

设计完成后，需对设计参数进行计算校核。

4.1 最大轴向载荷Fmax校核

当定转子间隙为1 mm，即定子处于原始位置时，载荷模拟器所能施加的最大轴向载荷Fmax为：

其中：A1为内环磁极面积；A2为外环磁极面积。因此可得到最大轴向载荷Fmax＝110 250N。

4.2 导体峰值电流密度I校核

导体峰值电流密度I计算公式为：

其中，W1为导线裸线尺寸。经计算，I＝4 A／mm2，符合表2中额定电流密度要小于5.0A／mm2的要求。

4.3 占空比系数D 校核

占空比系数D 计算公式为：

其中：W2为导线带绝缘尺寸；Aw为有效窗口面积。经计算，D＝0.34，符合表2中轴向绕组占空比系数不超过0.8的要求，可在此定子的环形槽内绕上述规格和匝数的绕组。

经过计算校核，在设定状态下电磁载荷模拟器最大可提供110 250N 的轴向载荷，远超过设计要求的85kN，其他参数校核也符合设计要求，因此此电磁载荷模拟器的设计可满足试验的要求。

5 结论

本文介绍了一种用于主氦风机上转子跌落保护系统的设计，该保护系统采用气体轴承技术，可在转子发生跌落时对电磁轴承的辅助轴承进行保护。本文介绍了用于验证这套保护系统可靠性的试验台架的结构和特点，以及作为加载器的电磁载荷模拟器的结构和计算结果。本文的电磁载荷模拟器利用电磁力对模拟转轴提供加载力，经计算校核，可满足试验要求。

通过这种模拟试验台架，可更有效地研究转子跌落保护系统，从而延长保护轴承寿命，增加转子跌落次数，提高反应堆运行效率。

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