2024年3月12日发(作者：excel公式大全)

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第２８卷第６期　

核动力ｒ程　

Ｖｌ０１．２８．ＮＯ．６　

２　０　０　７年ｌ２月　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　

Ｄｅｃ．２　０　０　７　

文章编号：０２５８－０９２６（２００７）０６－００８４－０４　

高温气冷堆氦气轮机系统电磁轴承冷却方案设计　

王岩，解衡，赵雷　

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京，１０００８４）　

摘要：电磁轴承是高温气冷堆立式氦气轮机系统的重要组件之一。本文针对高温气冷堆氦气循环发电中　

的高温电磁轴承，设计了４种综合冷却方案；采用前处理软件ＧＡＭＢＩＴ对电磁轴承腔体进行三维建模，使用　

流体力学计算软件ＦＬＵＥＮＴ对模型进行了分析。模拟结果表明，通过合理的设计及优化，腔体可以得到有效　

冷却，并能将腔体温度控制在设备运行要求范围之内。　

关键词：高温气冷堆；氦气轮机；计算流体力学；冷却没计；电磁轴承　

中图分类号：ＴＬ　３３４　文献标识码：Ａ　

１　引　言　

在热力循环中，采用氦气直接推动气轮机替　

代蒸汽轮机，可以较大幅度提高高温气冷堆的效　

率【】１。运行时氦气轮机系统中的电磁轴承所处的　

高温环境使得其中某些部件对冷却提出了要求。　

本文采用前处理软件ＧＡＭＢＩＴ对电磁轴承腔体　

部分进行建模和网格划分，使用三维计算流体软　

件ＦＬＵＥＮＴ［ｚ１对模型流场、温度场进行计算模拟。　

结合工艺结构，对不同氦气冷却引入途径进　

图ｌ　电磁轴承腔体削面简图　

行组合，提出了４种冷却方案用于效果评估。分　

Ｆｉｇ．１　Ｓｅｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃａｖｉｔｙ　

析表明：轴承转子内开启进气孔对于转轴冷却具　

有明显的改善效果；在总冷却流量一定的情况下，　

（１）反应堆在额定功率下运行，外侧氦气轮机　

提高流速，集中对涡流传感器进行局部强化冷却　

的环形整流管处（图ｌ中的３区）的氦气温度将达　

具有更好的冷却效果。　

到５ｏ０℃左右，而由于腔体外侧气体不流动（图ｌ　

中的２区），如果不进行冷却，腔内气体温度也将　

２电磁轴承腔体结构简介　

达到５ｏ０℃左右。　

ｌ０ＭＷ高温气冷堆（ＨＴＲ．１０）的氦气轮机系统　

（２）转子下部气轮机处的温度约５ｏ０℃，热　

设计方案中，氦气轮机转子竖直放置，采用磁力　量沿转子轴向传导，导致转子温度升高，进而使　

轴承进行支承。正常运行时，电磁轴承腔体处于　

腔内环境温度升高。　

高温环境下，出于对设备及仪表保护的要求（ＩＮ用　（３）电磁轴承运行时，其线圈将因电磁感应而　

于确定电磁轴承转子位置的涡流传感器，其最高　发热，发热功率大约为４ｋＷ。　

工作温度受一定限制），需要在设计上加入冷却系　为了对轴承腔体进行冷却，在其上部壳内设　

统，对其进行冷却。　

计安装了一个冷却器，通过循环为电磁轴承腔体　

电磁轴承工作时，电磁轴承腔内（图ｌ中的“ｌ”　

提供冷却氦气，并由管路引入对转子和电磁线圈　

区）的热量主要来自以下方面：　等进行冷却。　

收稿日期：２００６．０１．０２；修回日期：２００７．０３．３０　

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王岩等：高温气冷堆氦气轮机系统电磁轴承冷却方案没计　８５　

３设计方案　

电磁轴承腔体内剖面立体图如图２所示。在　

４计算分析　

４．１模型建立　

方案设计中，冷却氦气可通过以下途径引入腔内：　

（１）途径ｌ：由位于腔体上部呈对称分布的４　

条冷却管路引入，管嘴正对涡流传感器探头直接　

进行射流冷却。　

（２）途径２：考虑到轴承转子发热是整个腔内　

针对电磁轴承腔体，采用ＧＡＭＢＩＴ进行ｉ维　

建模。建模过程中，对不影响结果的局部区域进　

行适当简化，以免产生畸形网格对计算产生影响；　

反之对于结果影响较大的局部区域进行网格加　

密，以使模拟结果能够正确反映该处氦气的流动　

的主要热源，因此，在电磁轴承转子内部开启２　

个进气内孔道，使得部分冷却氦气沿转子轴承流　

过，以降低轴承转子温度，达到加强冷却的目的。　

（３１途径３：从电磁轴承转子侧表面开启的８　

个呈轴对称的半圆形进气槽引入。　

（４１途径４：从腔体顶部密封盖板的８个旁路　

进气孔引入。　

（５１途径５：　由于转子高温来源于底部热传　

导，所以考虑从腔体底部将进气管路引入，以冷　

却转子。　

由于可提供的冷却氦气能力一定，结合工艺　

结构，对上述５种氦气冷却引入途径进行组合，　

提出了４种冷却方案（表ｌ１用于效果评估。　

冷却氦气进气内＿彳Ｌ　冷却氦气　部　

图２电磁轴承腔内结构简图　

Ｆｉｇ．２　Ｔｒｅｅ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　

Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃａｖｉｔｙ　

表１冷却方案　

引入途径　方　案　

ｌ　’　一　３　４　

ｌ　√　√　√　

２　√　√　

３　√　√　

４　√　√　√　

５　√　√　

注：①“√”代表当前冷却方案采用此种冷却引人途径　

特性。　

模型总网格数约为１６０×ｌ０　。将模型网格加　

密一倍后，结果未发生明显变化，说明当前网格　

划分下网格敏感性低，结果满足要求。　

４．２初始条件和边界条件　

腔体内流体为氦气，流动状态为粘性湍流。　

腔体内冷却氦气由冷却系统提供，体积流量为　

０．０３７ｍ　／ｓ、压力为０．６８ＭＰａ、温度为４０　。腔体　

内侧壁面装有一排水冷管（图２），可以使其壁面温　

度保持在４０￣Ｃ左右；氦气轮机转子轴底部温度及　

腔体外壳侧壁温度设定为５００℃。由于腔体上封　

盖表面与隔热材料相接，定义为绝热边界。其余　

与外界环境接触的表面换热定义为自然对流。结　

构材料为不锈钢。　

４．３计算结果及分析　

采用稳态计算模式，在模拟计算过程中对连　

续性方程、动量方程、能量守恒方程联立【３ｌ，使　

用非耦合隐式算法迭代求解。　

计算模型使用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ在双ＣＰＵ、　

ｌＧ内存的计算服务器上经过ｌ小时的运算，结果　

达到收敛要求。　

图３给出了传感器所处的横截面上腔内温度　

随径向位置的变化关系（径向距离为测点距转子　

轴中心的距离１；图中标记点是传感器探头所在位　

置的温度。方案ｌ的测点温度约为１８０℃；方案２　

的测点温度有所升高，约为２ｌ０ｏＣ；方案３与方　

案４的测点温度相差不大，但较前两种方案有大　

幅降低，约为】０５ｃｃ。　

由图３可以看到，方案ｌ（对腔体底部不引入　

冷却管路，将冷却氦气集中对涡流传感器探针进　

行局部强化冷却１的径向温度比方案２（腔体底部　

引入冷却管路，分流部分冷却氦气对腔体底部进　

行冷却）大约低３５℃。由于在转子轴中心和外侧开　

启了进气冷却孔槽，转轴内部得到充分冷却，因　

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８６　核动力Ｌ程　

径向位置／ｍｍ　

周３温度随径向位置变化关系曲线　

Ｆｉｇ．３　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＶＳ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　

Ｒａｄｉａ１　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　

此，方案３、方案４中转轴的径向温度较方案ｌ、　

２明显降低，这有利于轴承转子的维护和使用。　

方案ｌ和方案２中，由于热导率很大，金属　

轴承转子温度梯度很小。当进入到氦气空间后（传　

感器探头所处截面内转子轴径为７４．５ｍｍ），温度　

下降梯度陡然增大，约为ｌ５￣Ｃ／ｍｍ。方案３、方　

案４中，转子径向位置ｌ５ｍｍ内温度较低，是内　

部进气孔道流过的冷却氦气所致。　

图４给出了不同方案下转子轴向温度的对比　

（设定腔体下表面所处平面为轴向０位置基准面，　

此处转子轴中心温度为５００￣）。方案ｌ比方案２　

总体上要略低一些，方案３与方案４的轴向温度　

变化基本相同。由于方案３和方案４都采用了在　

轴上开启进气冷却孔槽的方法来冷却转子，所以　

其轴向温度较方案ｌ、２有大幅度降低，冷却效果　

明显改善。　

４．４方案对比　

由以上分析对比可知：①方案３、方案４转　

轴温度明显低于方案ｌ、２的转轴温度，说明轴承　

转子内开启进气孔对于转轴冷却具有明显的改善　

＼　

赠　

导　

嚣　

轴向位置，ｍｍ　

图４温度随轴向位置变化关系曲线　

Ｆｉｇ．４　Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ＶＳ．Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｎ　

Ａｘｉｓ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　

效果；②在集中对涡流传感器探针进行局部强化　

射流冷却方案下，测点温度低于分流部分冷却氦　

气对腔体底部进行冷却的方案。因此，４种冷却　

方案中，方案３的冷却效果最佳。　

５结论　

（１）在转轴上开启进气孔槽通入氦气，冷却效　

果得到明显改善；转轴温度和空腔温度都有较大　

幅度降低，传感器探针处温度可以控制在ｌ００　

左右，这有利于设备运行和维护。　

（２）在总冷却流量一定的情况下，提高流速，　

集中对涡流传感器探针进行局部强化冷却的方案　

简化了设计，并具有更好的冷却效果。　

参考文献：　

【ｌ】顾义华，王捷．高温气冷堆气体透平循环方式的技术　

评价『Ｊ】．核动力工程，２００３，２４（２）：１０７一ｌ１　１．　

【２】韩占忠，王敬，兰小平．ＦＬｕＥＮ　流体工程仿真计　

算实例与应用［Ｍ】．北京：理工大学出版社，２００４．　

【３】王福军．计算流体动力学分析［ＭＩ．北京：清华大学出　

版社，２００４．　

（下转第１０９页）　

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程章华等：　、同产氧速率对安令壳内氢气分布影响的数值模拟　

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　

Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　Ｒａｔｅｓ　ｏｎ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　

ｗｉｔｈｉｎ　Ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ　

ＣＨＥＮＧ　Ｚｈａｎｇ—ｈｕａ，ＣＡＯ　Ｘｕｅ—ＷＵ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｇａｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ　ｉＳ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｉｌｙ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｖ　ＣＦＤ　ｃｏｄｅ　

ＣＦＸ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｕｇｇｅｓｔｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉＳ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｔ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　

ｒｅｌｅａｓｅ　ｒａｔｅｓ．ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｌｉｅｒｅｎｔ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｍａｉｎｌｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｄｉｉｆｅｒ．　

ｅｎｔ　ｓｐｉｒａｌ　ｆｏｒｍｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｍｏｖｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　

ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｌｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ａｒｅ　ｌａｒｇｅｒ　ａｎｄ　ｅｖｅｎｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗｅｒ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｒｅｌｅａｓｅ　ｒａｔｅ．　

ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｋｉｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉＳ　ｈｉｇｈｅｒ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｉＳ　ｍｏｒｅ　ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｅｒ　ｈｙｄｒｏｇｅｎ　

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ａｃｃｉｄｅｎｔ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｒｉｓｋ，Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｒａｔｅｓ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ，Ｎｕｍｅｒｉｃａ１　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

作者简介：　

程章华（１９８Ｏ一），男，硕二Ｌ。２００４年获安徽理　【大学学士学位。丰要从事核电站安全壳内氢气风险分析。　

曹学武（１９６２一），男，教授。１９９９年获日本东京大学博士学位。现从事核安全分析研究工作。　

（责任编辑：张明军）　

（上接第８６页１　

Ｃｏｏｌｉｎｇ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　Ｍ　

ａｇｎｅｔｉｃ　Ｂｅａｒｉｎｇ　ｏｆ　

ＨＴＧＲ　Ｈｅｌｉｕｍ　Ｇａｓ　

Ｔｕｒｂｉｎｅ　

ＷＡＮＧ　Ｙａｎ，ＸＩＥ　Ｈｅｎｇ，ＺＨＡＯ　Ｌｅｉ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＮｕｃｌｅａｒ　ａｎｄ　Ｎｅｗ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１　０００８４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｉＳ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒｔ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｇａｓ．ｃｏｏｌｅｄ　Ｒｅａｃｔｏｒ　ｆＨＴＧＲ１　ｈｅ．　

１ｉｕｍ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ．４　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｏｆ　

ＨＴＧＲ　ｈｅｌｉｕｍ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ．Ａ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉＳ　ｓｅｔ　ｕｐ　ｂｖ　ＧＡＭＢＩＴ’　

ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｏ　ｗａｒｅ——ＦＬＵＥＮ　Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　

ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｉＳ　ｃｏｏｌｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｃｏｏｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．ａｎｄ　ｉｔｓ　

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｓ　ｕｎｄｅｒ　ｃｏｎｔｒｏ１．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｇａｓ　ｒｅａｃｔｏｒ，Ｈｅｌｉｕｍ　ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ，Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃ，Ｃｏｏｌｉｎｇ　

ｐｒｏｊｅｃｔ　ｄｅｓｉｇｎ，Ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ　

作者简介：　

王岩（１９７７一），　

男，助理研究员。２００５年毕业于清华大学核能卜ｊ新能源技术研究院，获博上学位　现从事反应　

堆热工流体理论研究。　

解衡（１９７２一），　

男，助理研究员。１　９９８年毕业于西安交通大学能动学院，获博上学位。现从事反应堆热　Ｌ流体　

理论研究。　

赵雷（１９６３一），男，研究员。１９９６年毕业于哈尔滨ｊ［业大学。现从事机电与控制、电磁轴承的研究。　

（责任编辑：查刚菊）