螺旋管布置方式对核主泵屏蔽电机温度场的影响

程琦　路义萍　孙海锋　艾丽昆　韩家德　谢增林

摘要：屏蔽电机重要部件的峰值温度是影响屏蔽电机安全稳定运行的关键因素。对内置螺旋管的屏蔽电机而言，螺旋管的布置方式影响着屏蔽电机的温度场。本文对某内置螺旋管冷却的屏蔽电机，分别将螺旋管布置成叉排及顺排，并采用基于计算流体力学原理（CFD）的有限体积法对两种不同布置方式下屏蔽电机的温度场进行数值模拟和对比分析。计算结果表明，电机机壳和一、二次水的温度分布呈现上部温度低，下部温度高的特点;双层螺旋管叉排布置方式时，冷却水的换热量大于其顺排布置方式下冷却水的换热量，且屏蔽电机的整体平均温度高;为屏蔽电机的内置换热器布置方式的选择提供参考。

关键词：屏蔽电机;螺旋管布置方式;温度场;有限体积法;数值模拟

DOI：10.15938/j.jhust.2022.04.002

中图分类号： TK124

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2022）04-0010-06

Effect of Spiral Tube Arrangement on Temperature Field

of Canned Motor for Nuclear Pump

CHENG Qi LU Yi-ping SUN Hai-feng AI Li-kun HAN Jia-de XIE Zeng-lin

（1.School of Electric and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080，China;

2.Harbin Electric Power Equipment Co.， Ltd.， Harbin 150040， China）

Abstract：The maximum temperature of main components of a canned motor is the key factor affecting the safe and stable operation of the canned motor. Especially for a canned motor with built-in spiral tube， the arrangement of spiral tube will have a great influence on the temperature field of the canned motor. In this paper， the physical model of cooling canned motor with built-in spiral tube was established and its internal spiral tube was arranged into two ways of staggered and parallel. Then， the temperature fields of the canned motor under two different arrangements were numerically simulated and contrastively analyzed by the finite volume method based on the CFD principle. The temperature distribution of the motor casing and the primary and secondary water shows the characteristics of low temperature in the upper part and high temperature in the lower part. The heat transfer of cooling water in the arrangement of staggered of double-layer spiral tubes is greather than that in the arrangement of parallel， and the overall average temperature of the canned motor is higher. It provides a reference for the selection of the layout of the built-in heat exchanger arrangement of the canned motor.

Keywords：canned motor; spiral tube arrangement; thermal fields; finite volume method; numerical simulation

0引言

隨着“十四五”规划和碳中和理念的不断实施，核能发电作为一种清洁高效发电技术目前处于重要地位[1-3]。核主泵屏蔽电机作为核电站的重要驱动设备，直接影响电厂运行的安全性及可靠性，为避免核电站产生事故，在设计阶段，进行核主泵屏蔽电机结构变化的热设计及其数值模拟研究，具有十分重要的意义[4-7]。

目前，国内外学者对各种屏蔽电机温度场的影响因素和螺旋管的流动传热分别进行了各种研究。丁树业等[8]对额定工况下5500kW核主泵屏蔽电机的热流场进行数值模拟，揭示了屏蔽电机内的温度分布规律。仲维滨等[9]建立了屏蔽电机模型，通过改变定子端腔表面发射率，发现定子端腔表面发射率的提高使得定子绕组峰值温度降低。胡家祺[10]通过对屏蔽电机的热流场进行数值模拟，研究了核主泵冷却剂温度及连接部件对屏蔽电机温度场的影响。曹力等[11]对电机定子屏蔽套的涡流损耗和温升进行分析，同时对屏蔽套损耗的敏感性因素进行研究。LU Y P等[12]研究了不同的水摩擦损耗计算方法对屏蔽电机温度场模拟结果的影响。毕晓舜等[13]分析了冷却水流量、水道宽度、水道数及冷却水温对电机升温的影响，为电机冷却系统的选择提供参考。Bornschlegell A S等[14]对大功率屏蔽电机进行了热优化问题的研究。Hu X等[15]研究了定转子之间的气隙厚度对电机升温和电磁性能的影响，确定了气隙厚度的最佳取值。黄云云等[16]对三种截面的螺旋管的流动及传热进行模拟，确定在传热性能方面，圆管最佳。Wang Y等[17]对带有反向回路和线圈插入件的螺旋管的热性能进行研究。岳清雯等[18]采用热流耦合的数值模拟方法分析了壳侧流体的流量和温度变化对水平螺旋管换热器热流场的影响。董珊珊[19]对某屏蔽电机水冷夹套内螺旋管的强化换热进行研究。甘刘意等[20]通过对两种螺旋板式换热器进行数值模拟，分析对比得出雷诺数对换热器传热影响因子、阻力影响因子以及综合性能评价系统的变化规律。Nabeel J等[21]对单层螺旋管换热器进行数值模拟，并对螺旋管换热器沿长度和径向方向的温度进行测定，对于螺旋管换热器的设计及温度场的研究具有指导意义。

综上所述，大多数学者对屏蔽电机和螺旋管换热器内部温度场及其影响因素的研究主要是关于自身因素，关于将螺旋管换热器和屏蔽电机进行整体研究未见文献报道。本文中，所涉及的核主泵位于屏蔽电机下方，电机机壳外侧布置双层螺旋管作为一次水的换热器，用于小型研究堆，是近期核电的重要发展方向之一。

1模型建立

1.1物理模型

本屏蔽电机转速由工厂提供，为2922r/min，通过一、二次冷却水循环流动来传递热量进而冷却降温。一次冷却水循环包括一条主循环回路流动和两条支路循环流动：主循环冷却水从定子端盖一次冷却水入口进入沿轴心孔向下流动，流经辅叶轮、定转子屏蔽套间隙、转子下部空腔和下导轴承定子封头径向孔汇集到汇流腔，最终通过内置螺旋管进行冷却，从一次水出口流出进入一次水入口完成主循环。两条支路分别为绕经上导轴承和绕经下导轴承及下飞轮后汇合到主循环回路。二次冷却水循环上部端腔二次水入口进入，流经循环槽道到达下端腔，最终从下端腔外罩板处的二次水出口排出，见图1。

本屏蔽电机沿周向对称分布，考虑物理模型、网格划分和数值计算的高效性，故选取整机周向四分之一建立物理模型，Y轴与电机转轴的中心线重合，X轴和Z轴沿半径方向，见图2。

1.2网格划分

本文运用Gambit软件对屏蔽电机物理模型进行网格划分，见图3。为了保证网格质量，采用结构性网格和非结构性网格混合使用的方法。Gambit软件自带网格评价标准，通过0～1的数值大小进行判断，数值计算的网格质量要求Equisize skew小于0.97，最终对全部网格质量进行检查，Equisize skew最差为0.94，多数为0.1，同时考虑到一次冷却水路存在间隙流，并为了满足数值计算的二阶迎风格式，对间隙流处网格进行加密，网格数目为4。最后，为分析螺旋管布置方式对屏蔽电机温度场的影响，将螺旋管由叉排布置改为顺排布置，为清晰可见，图3中给出了整机模型和重要位置定转子间隙、定子绕组、内外套板中间螺旋管采用叉排布置及顺排布置时的局部放大网格图。

2数学模型及求解条件

2.1基本假设

1）屏蔽电机内流体的马赫数（Ma）小于1，故可认为不可压缩流体。

2）流体的物性参数如密度、比热容等均为常数。

3）设每个部件热源按照体积均匀分布。

4）相邻部件之间无接触热阻存在。

5）一次冷却水和二次冷却水的雷诺数较大（Re>2300），流体的流动处于湍流状态。

2.2控制方程

根据计算流体力学理论，对屏蔽电机流体场、温度场进行数值模拟时，模型中的介质满足质量、动量和能量守恒方程，控制方程的通用形式为

2.3计算条件

影响仿真计算结果准确性的重要因素是计算条件。根据实际运行情况，屏蔽电机热态额定工况下的计算条件;

1）一、二次冷却水入口速度分别为1.67m/s、1.471m/s，入口温度分别为48℃、40℃，出口表压力为0Pa。

2）机壳表面为同时考虑自然对流与辐射的混合边界条件，对流换热系数为10W/（m²·k），主泵下方冷却剂温度为285.1℃。

3）电机内部具有多种损耗，额定工况下，部件损耗考虑了定转子屏蔽套、定转子铁心、定子绕组、转子铜条、转子端环、锥形环和定子齿压板，数值较大的热源强度见表1。

3结果与分析

3.1电机温度分布特征

为保证屏蔽电机的安全稳定运行，对屏蔽电机的温度场进行数值模拟。为了便于对屏蔽电机整体温度进行分析，同时考虑到在屏蔽电机定子端腔处绕组温度较高、铁心中部处绕组温度较低[2]，故在屏蔽电机Y=0.8m、Y=1.3m和整机45°处做剖面，并给出温度分布云图如图4所示。

由图4可见，该电机沿轴向温度总体分布呈现从上到下温度逐渐升高的趋势，定子绕组端腔中温度较高，且下端腔的峰值温度高于上端部。一方面原因是冷却水沿流动方向逐渐升温，冷却能力逐渐降低，另一方面，屏蔽电机下部存在主泵温度为285.1℃的高水温，高温水向四周进行热量传递。由于定子绕组端部被氮气腔包裹，氮气与绕组端部、氮气与机壳发生自然对流换热，而自然对流换热系数远远小于定子绕组中段与冷却水发生的强制对流换热系数，故定子绕组端部温度高，中间段温度低;屏蔽电机沿径向的温度分布呈现出以定子为中心向半径增大及半径减小的方向逐渐降低的趋势，这是因为定转子屏蔽套中的冷却水和机壳外部的冷却水温度较低，热量总是由高温传向低温。

3.2叉排与顺排布置温度对比

3.2.1定转子部分温度分布对比

双层螺旋管换热器的布置方式对屏蔽电机内部部件的温度分布具有影响，叉排布置方式下定子绕组的峰值温度为169.5℃，比顺排布置方式下定子绕组的峰值温度高0.3℃。不同布置方式下定子铁心齿部及轭部温度也有差异，均为峰值温度叉排时高，但是高出的数值有限，都不超过1℃。这是由于叉排布置方式下一次冷却水的换热充分，导致叉排布置时二次冷却水的温度高，进而导致传热温差小，而转子铁心和转子铜条与机壳换热器相距较远，并且与一次水相隔，故不同布置方式对转子部分的峰值温度影响不明显。

3.2.2电机内部冷却水温度分布对比

屏蔽电机内部具有复杂的一次冷却水回路，一次冷却水在电机内部循环流动，并且位于水路的不同位置具有不同的温度特征，为方便监测屏蔽电机不同位置的冷却水温度，在划分网格时，将一次冷却水根据位置进行分组，以便于后期监测。不同布置方式下，电机上部一次冷却水温度差异很小，表2给出了具有差异下部位置的一、二次冷却水温度数值。从表中可以看出螺旋管叉排布置时，二次水出口、下导轴承、汇流腔和下飞轮上部的一次冷却水高于顺排布置方式下相同位置的温度，说明叉排布置换热效果好;而下飞轮周围及下飞轮底部温度反而低于顺排布置方式下相同部位的温度;顺排布置时的汇流腔水温低，则更易于实现二次水断供故障5min之内，汇流腔水温不超过95℃這一指标。

3.2.3機壳温度分布对比

由于机壳与上下端部存在焊缝，是热应力计算重点监测位置。为比较双层螺旋管不同布置方式对屏蔽电机机壳温度分布的影响，在屏蔽电机机壳径向1/2处做一条轴向温度采样线，图5为该采样线温度分布图。对比可知，双层螺旋管不同布置方式对屏蔽电机的总体温度分布趋势无影响，都是上部温度低，下部温度高，中部铁心段相同位置处，基本呈线性变化，叉排时机壳温度高于顺排时，叉排与顺排布置方式下机壳的最高温度分别为60.9℃、58.8℃，两者相差2.1℃。机壳温度数值可为后续热应力计算提供基础数据。

3.2.4换热器内冷却水温度分布及换热量对比

屏蔽电机的冷却主要通过内外冷却回路，一次冷却水主要冷却屏蔽电机内部部件并吸收热量，二次冷却水主要冷却一次冷却水和机壳，为了说明双层螺旋管换热器的布置方式对螺旋管内一次冷却水的冷却和螺旋槽内二次冷却水的升温影响，同时，考虑到双层螺旋管换热器的布置方式的区别主要在于外圈螺旋管，故分别选取双层螺旋管/槽的内圈螺旋管/槽的45°截面中心处及螺旋管的入出口直管截面中心、上端腔及下端腔中的螺旋管/槽45°截面中心处做采样监测点，比较双层螺旋管顺/叉排布置方式下螺旋管/槽内冷却的水的温度分布，见图6。

由图6可知，对于螺旋管内的一次冷却水来说，双层螺旋管的布置方式对螺旋管内一次冷却水的温度分布趋势无影响，都是沿着向上流动方向温度逐渐降低，最高温度位于换热器下部端腔螺旋管内水的入口处，但是叉/顺排布置方式下螺旋管内冷却水的最高温度数值不同，分别为69.7和65.7℃;对于二次冷却水来说，都是沿着向下流动方向温度逐渐升高，二次冷却水的峰值温度叉排比顺排布置方式下高出3.7℃，说明换热效果更好。

为了进一步对比双层螺旋管不同布置方式对换热的影响，对不同布置方式下一次冷却水的放热量Q₁和二次冷却水的吸热量Q₂进行计算并分析，见式3。

由于本台屏蔽电机符合热平衡要求，故一、二次冷却水的放、吸热量等于各自的传热热量。表3为两种布置方式时，换热器中一、二次冷却水的放、吸热量。由表3可知，双层螺旋管叉排布置方式下一、二次冷却水的放、吸热量均大于顺排布置方式下的数值，二次冷却水的吸热量大于一次冷却水的放热量，原因是二次冷却水温度最低，不仅吸收一次冷却水放出的热量，同时，还吸收屏蔽电机经由机壳传递出的热量及下方285.1℃的高温冷却剂向上方传递的热量。

4结论

1）本文研究的主泵位于下方的核主泵屏蔽电机，温度分布呈现由上到下温度逐渐升高的特点。

2）双层螺旋管叉排布置时，屏蔽电机内部重要监测部件及冷却水的峰值温度高于双层螺旋管顺排布置时内部重要部件及冷却水的峰值温度。

3）双层螺旋管叉排布置方式时一、二次冷却水的放、吸热量大于其顺排布置方式下一、二次冷却水的放、吸热量。

参 考 文 献：

[1]邓清华， 胡乐豪， 李军， 等. 大型发电技术发展现状及趋势[J].热力透平，2019，48（3）：175.DENG Qinghua， HU Lehao， LI Jun， et al. State-of-Art and Tendency on Technologies of Large Electric Power Generation[J]. Thermal Tbrbine，2019，48（3）：175.

[2]索文旭， 尉盛强， 付伟达， 等. 一核主泵屏蔽电机热流场特征分析[J].电站系统工程，2021，37（5）：71.SUO Wenxu， WEI Shengqiang， FU Weida， et al. Analysis of Thermal and Flow Field Characteristics for Shielded Motor of Primary Pump[J]. Power System Engineering，2021，37（5）：71.

[3]HE Y L， TANG S Z， TAO W Q， et al. A General and Rapid Method for Performance Evaluation of Enhanced Heat Transfer Techniques[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，145：118780.

[4]李藏雪， 任智达， 路义萍，等. 一种屏蔽电动机的三维温度场及影响因素研究[J].电机与控制学报，2015，19（8）：15.LI Cangxue， REN Zhida， LU Yiping， et al. Influence Factors Research on Three Dimensional Temperature Field of the Canned Motor[J]. Electric Machines and Control，2015，19（8）：15.

[5]龙云， 袁寿其， 朱荣生，等. 核主泵内部流动研究现状与技术发展综述[J].排灌机械工程学报，2020，38（11）：1081.LONG Yun， YUAN Shouqi， ZHU Rongsheng， et al. Review on Research Status of Internal Flow and Technological Development of Reactor Coolant Pump[J]. Jonrnal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering，2020，38（11）：1081.

[6]LI Z， LI M， ZHANG J， et al. Seismic Analysis of Nuclear Power Plant Canned Motor Pump Unit Based on Integral Calculation Method[J]. Stave Bníobzor-Civil Engineering Journal，2016，25（4）：1.

[7]索文旭，艾丽昆，胡家祺，等.屏蔽电机机壳内螺旋槽道截面形状对流动及传热影响[J].大电机技术，2021（5）：59.SUO Wenxu， AI Likun， HU Jiaqi， et al. Effect of the Cross Section Shape of Spiral Groove in the Canned Motor Case on Water Flow and Heat Transfer[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine， 2021（5）：59.

[8]丁树业， 孟繁东， 葛云中. 核主泵屏蔽电机温度场研究[J].中国电机工程学报，2012，32（36）：149.DING Shuye， MENG Fandong， GE Yunzhong. Temperature Field Investigation of Canned Primary Pump Motors in Nuclear Power Stations[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32（36）：149.

[9]仲维滨， 刘延浩， 周超，等. 屏蔽电机氮气腔壁表面吸收率对温度场的影响[J].大电机技术，2018（6）：62.ZHONG Weibin， LIU Yanhao， ZHOU Chao， et al. Influence of Wall Absorptivity in Nitrogen Cavity on the Temperature Field of Canned Motor[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Tnrbine，2018（6）：62.

[10]胡家祺.连接部件对某屏蔽电机温度场影响的数值模拟[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2021.

[11]曹力， 胡岩， 卓亮. 高速永磁屏蔽电机损耗分析与温升研究[J].微电机，2021，54（4）：11.CAO Li， HU Yan， ZHUO Liang. Study on Loss Analysis and Temperature Rise of High-speed Permanent Magnet Shielded Motor [J]. Micromotors，2021，54（4）：11.

[12]LU Y P， MUSTAFA A， REHAN M A， et al. The Effects of Water Friction Loss Calculation on the Thermal Field of the Canned Motor[J]. Processes，2019，7（5）：256.

[13]畢晓舜， 安跃军， 杨维国， 等. 真空干泵用屏蔽电机温度场仿真分析与试验[J].电机与控制应用，2020，47（5）：64.BI Xiaoshun， AN Yuejun， YANG Weiguo， et al. Simulation and Experiment of Temperature Field of Canned Motor for Vacuum Dry Pump[J]. Electric Mchines and Control Application， 2020，47（5）：64.

[14]BORNSCHLEGELL A S， PELLE J， HARMAND S， el al. Thermal Optimization of a High-Power Salient-Pole Electrical Machine[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（5）：1734.

[15]HU X， LI Y， LUO L. The Influence of Air Gap Thickness Between the Stator and Rotor on Nuclear Main Pump[J]. Energy Procedia，2017，142：259.

[16]黄云云，黄永曙，王为旺.不同截面形状螺旋管流动与传热的数值研究[J].计算机与应用化学，2016，33（12）：1261.HUANG Yunyun， HUANG Yongshu， WANG Weiwang. Numerical Research on Flow and Heat Transfer in Helically Coiled Tubes with Different Cross-sections[J]. Computers and Applied Chemistry，2016，33（12）：1261.

[17]WANG Y， ALVARADO J L， TERRELL W. Thermal Performance of Helical Coils with Reversed Loops and Wire Coil Inserts[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2020，146：118723.

[18]岳清雯， 赖喜德， 陈小明， 等. 水平螺旋管式换热器的流热耦合传热特性研究[J].热能动力工程，2021，36（4）：118.YUE Qingwen， LAI Xide， CHENG Xiaoming， et al. Study on Thermal-fluid Coupling Heat Transfer Characteristics of Horizontal Spirally Coiled Tubes Heat Exchanger[J]. Jpurnal of Engineering for Thermal Energy and Power，2021，36（4）：118.

[19]董姗姗.屏蔽电机水冷夹套内螺旋管强化换热研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2020.

[20]甘刘意， 陆怡， 查涵清， 等. 新型螺旋板式换热器及其传热特性研究[J].流体机械，2021，49（6）：36.GAN Liuyi， LU Yi， ZHA Hanqing， et al. Reaearch on New Type Spiral Plate Heat Exchanger and Its Heat Transfer Characteristics[J]. Fluid Machinery，2021，49（6）：36.

[21]JAFFAR N， INAYAT M，WARDAG A. Design a Helical Coil Heat Exchanger Via CFD Simulations[C]// 2017 14th International Bhurban Conference on Applied Sciences and Technology （IBCAST） IEEE，2017：594.

（编辑：温泽宇）