核电站低压安注泵轴-散热器-轴承系统的热平衡分析

吴明哲 孙德臣 王晓冬

1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳，1108192. 沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳，110869

核电站低压安注泵轴-散热器-轴承系统的热平衡分析

吴明哲1孙德臣2王晓冬1

1.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳，1108192. 沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司，沈阳，110869

为保证核泵轴承安全可靠地工作，泵转子与轴承之间的转轴上设置有散热器，以降低轴承的工作温度。采用局部热平衡计算方法，建立了核泵轴-散热器-轴承系统的热计算模型。采用VC语言编制了计算程序，对轴-散热器-轴承系统进行了热平衡计算，获得了温度沿转轴的分布，分析了散热器结构对轴承工作温度的影响。计算结果表明，在轴-散热器-轴承系统中，散热器对轴向传热量影响较大，但设置轴上的散热器对轴承工作区温度下降不显著。为更大程度地降低轴承工作温度、提高可靠性，还需要强化电机支架的换热能力，通过强制风冷来实现降温。

泵；轴-散热器-轴承系统；热平衡模型；温度分布

0 引言

核电站冷却水循环泵轴承是泵轴转动的支撑部件，泵在高温环境下工作时，轴承受到的沿泵轴与支架传递的热负载很大，这会缩短轴承使用寿命，也会降低泵轴系统的工作可靠性和稳定性[1]。为了降低轴承的温度和保证轴承的安全工作，需要配套使用冷却设施。散热器是一种常用的冷却设施，它可以方便地改变散热片数量来控制冷却效果。目前，传热计算一般可分为以下几种方法：数学分析法、积分近似解法、对比方法、数值模拟方法(有限差分法、有限元法、有限体积法)[2-4]，以及实验方法。本文以1000 MW核电机组低压安注泵(核二级泵)为原型，结合核泵结构实际，在泵体和轴承之间设置圆翼形散热器，与转轴同步旋转，构成轴-散热器-轴承-电机支架耦合散热系统。为评估散热效果，建立了连接式局部热平衡模型，用以计算转轴与轴承间的温度分布，确定散热片数量对轴承温度的影响。

1 热平衡计算模型

1.1 轴-散热器-轴承系统的热环境

本文所涉核泵轴-散热器-轴承-电机支架散热系统的热环境如图1所示。其中T表示温度；Q表示热量。泵腔(工作室)内高温液体将热量沿转轴和电机支架向轴承传递，同时轴承工作又有热量产生，该系统是典型的传热-散热-发热系统。轴承温度由轴上设置的散热器和电机支架肋片的散热共同决定。

为考察散热器对轴承温度的影响，需同时考虑散热片和支架肋片两种散热通道的作用效果。为此，本文采用局部热平衡计算方法，建立核泵散热系统的热平衡模型。

1.2 计算模型

轴系统传热模型如图2所示。将轴系统分为n段，热量传递包括高温液体沿轴向热传导，轴、散热片与环境间的热对流和热辐射，轴承向轴侧和电机支架的热传导，电机支架与环境的热交换等。其中，第i段为散热片设置段，第p段为轴承设置段。

当处于热平衡状态时，轴系统的局部热平衡计算模型可表示如下：

(1)

热传导热量QD、热对流热量Qd、热辐射热量QF，以及散热片散热量QS等计算公式见文献[5]。

图3 散热器的热回路Fig.3 Thermal loop of a radiator

(2)

式中，Rs,d为散热器板的导热阻,K/W；Rs,A为散热器尾翼的对流热阻,K/W；Rs,t为散热器尾翼的导热阻,K/W。

热阻的具体计算见文献[7]。

(3)

式中，λi,j为材料导热系数，W/(m·K)；Li,j为导热长度，m；Ai,j为导热截面面积，m2。

图4 热通道之间的热交换Fig.4 Heat transfer between the hot channel

2 轴-散热器-轴承系统的热计算

2.1 计算参数与轴承安全工作条件

核泵具体工作条件和计算参数如表1所示。以上节计算模型对设置有散热器、轴承发热内热源的轴-散热器-轴承系统进行热平衡计算，将轴承处温度是否低于100 ℃作为其工作安全性的判据。

表1 轴-散热器-轴承系统热平衡计算参数Tab.1 Parameters of the heat transport system

2.2 计算程序

基于上节建立的局部热平衡计算模型，采用VC语言编写轴-散热器-轴承系统热平衡的计算程序。计算流程见图5，计算程序界面如图6所示。图5中，h为对流换热系数；Tf为环境温度；Tn为轴末端温度；Δz为转轴被分成N份后每段的长度；QF为散热量。

图5 轴-散热器-轴承的热平衡计算流程图Fig.5 Heat calculation diagram of a shaft-radiator-bearing system

图6 轴-散热器-轴承系统的热计算软件界面Fig.6 Interface of the shaft-radiator-bearing calculating system

2.3 计算模型的验证

采用已被证明的热阻网络法[9]对同一对象在相同计算条件下进行热平衡计算，通过比较两种方法的计算结果，验证热平衡计算模型的正确性，以确认轴-散热器-轴承系统温度分布计算方法的可行性。

将轴-散热器-轴承系统分成泵轴、轴承和支架三个部分，按照热传导、对流、热流源以及热边界条件，构建25个节点、49个支路的热阻网络，如图7所示。根据热阻网络各支路热阻参数，建立支路温度向量、热流量向量以及系数矩阵，通过MATLAB编程，计算热阻网络各节点的温度。当散热片数量分别为2、4、6时，本文计算模型及热阻网络方法计算所得轴承中心处的温度如表2所示。

图7 热阻网络图Fig.7 Thermal resistance network diagram

表2 不同计算方法得到的轴承中心处温度Tab.2 The bearing temperature distribution

从表2中可知，本文提出的计算模型计算结果与热阻网络方法计算结果之间差别在2%以内，并且可以克服热阻网络法网络构建及支路热阻计算过程的繁杂性，更适合本文涉及的轴-散热片-轴承等复杂系统的热平衡计算与分析。

2.4 计算结果与分析

2.4.1 转轴温度分布

转轴上未设置散热片时轴-轴承系统轴向温度分布，以及转轴设置散热片数量分别为2、4、6时,轴-散热器-轴承系统轴向温度分布如图8所示。其中，横坐标坐标原点为高温介质液面对应的转轴位置，对应温度为160 ℃。

图8 轴-散热器-轴承系统的温度分布Fig.8 Temperature of a shaft-radiator-bearing system

从图8中可见，未设置散热片时，轴系统从高温介质接触处的160 ℃，沿轴向轴承方向逐渐减小，但最低温度也在115 ℃之上，达不到轴承的安全工作温度，需设置散热片以进一步降低轴承温度。当轴上设置散热器时，轴系统的温度分布发生较大变化。轴系统温度随散热片数量的增加整体呈减小趋势，在散热片设置位置，因散热器较强的散热能力，出现温度低谷。当散热片数量超过4之后，轴系统最低温度低于100 ℃。相比未设散热片时的情况，增加散热片后轴承处的温度有所降低。由于轴承本身的发热，以及电机支架散热能力不足，轴承处的温度下降并不显著。

2.4.2 轴承温度分布

为更好地分析轴承处不同位置的温度，将两轴承内圈、外圈和滚珠结构细分,如图9所示，在是否设置散热器及不同散热器片数条件下，轴承各部分温度的计算结果如表3所示。

图9 轴承结构组成Fig.9 Distribution of the bearing system

表3 轴承系统的温度分布Tab.3 Temperature distribution of the bearing system ℃

由表3中可见，轴承各部分温度随散射器片数的增加而下降，但散热片数超过4后，温度下降已经不明显。当散热片数为6时，轴承温度最低降到112.62 ℃，还不能满足安全工作要求。

对于靠近高温介质的轴承1，未设置散热器时，轴承内圈温度高于外圈温度，而设置散热器后，轴承内圈温度低于外圈温度，滚珠处温度最高。说明轴向传递的热量经散热器得到有效散失。

对于远离热介质的轴承2，温度低于轴承1对应位置的温度，但轴承2内圈温度始终高于外圈温度，说明外圈连接的电机支架的散热能力较弱。为此，轴承要达到设计温度要求，除增加轴上散热器外，还需强化电机支架的换热能力。

3 结论

(1)局部热平衡计算方法与热阻网络法所得轴承温度计算结果的差别在2%以内，说明该方法可以应用于轴-散热器-轴承等复杂系统中的传热分析计算中，获得复杂系统局部温度分布的细节。该方法的求解精度尚需实验的进一步验证。

(2)转轴上设有散热器可以有效降低散热器处转轴温度，轴承处的温度随着散热器片数增加而下降，但散热片增大到6时，轴承与轴的温度下降已不显著。

(3)电机支架散热能力不足是单纯设置散热器仍达不到轴承设计温度要求的主因。要使轴承有更大的温度下降，可在转轴上设置风冷风扇，以期通过强制对流冷却来达到设计目标。

[1] 王建民，顾红欣. 机械设计基础[M]. 北京：冶金工业出版社，2012：227-229. WANG Jianmin, GU Hongxin. Basis of Mechanical Design[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press,2012:227-229.

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(编辑 袁兴玲)

Heat Equilibrium Analyses of Shaft-radiator-bearing Systems on Circulating Cooling Water Pumps in Nuclear Power Plants

WU Mingzhe1SUN Dechen2WANG Xiaodong1

1.School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University,Shenyang,110819 2.Shenyang Blower Works Group Nuclear Pump Corporation Limited, Shenyang,110869

To ensure the safety work of the bearings, the radiators were generally installed on the shafts between the circulating cooling water pump chambers and the bearings, which might reduce the working temperatures of the bearings. A heat calculation model of the shaft-radiator-bearing system was established using connected heat equilibrium calculation method herein. The heat equilibrium calculation on the shaft-bearing-radiator system was proceeded by home-made calculating program with VC language, and the temperature distribution along the axis was obtained. The influences of the radiator construction on the bearing’s operating temperature were analyzed. The calculating results show that, the heat transfer of the shaft-bearing-radiator system is affected greatly as the radiator setting on the shaft, and the reduction of bearing temperatures is only slightly. Other cooling methods should be adopted such as forced-air cooling mode to increase the heat transfer ability of the bearing bracket and further reduce the temperature at the bearing and increase the reliability of the pump.

pump; shaft-radiator-bearing system; heat equilibrium model; temperature distribution

2016-05-11

TB24

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.07.005

吴明哲，男，1975年生。东北大学机械工程与自动化学院访问学者。研究方向为流体机械。孙德臣，男，1984年生。沈阳鼓风机集团核电泵业有限公司工程师。王晓冬(通信作者)，男，1963年生。东北大学机械工程与自动化学院教授、博士研究生导师。E-mail: xdwang@mail.neu.edu.cn。