高温气冷堆传热工质高压氦气驱动电机全空间热交换机理研究

High temperature gas cooled reactor (HTR), with the characteristics of inherent safety, high efficiency generation and supplying of high temperature heat, becomes one of the preferred reactor of the fourth-generation unclear power system. The helium circulates in the primary circuit loop with the driving of helium circulator, and then completes the heat exchange process of the reactor core and vapor generator, the driving motor is the core component of the helium circulator, thus, the working stability of which is directly related to the safe operation of.HTR. The drive motor is cooled with high pressure helium, but the research of heat-transfer mechanism and laws of helium has not been involved in. The propose of this project, in view of the specialty of the motor cooling medium and operating environment, is to explore the calculation method of loss and heat transferring for the helium circulator driving motor by the means of the study of heat-transfer mechanism and laws of helium and calculation method of related heat transfer parameters, and reveal the inherent law of helium fluid shape and the.calculation method of wind friction loss and heat transfer; Based on the boundary conditions of helium fluid shape and heat parameters, the fluid-structure coupled theory model for the driving motor is proposed, which establishes the theoretical basis for the rational design of ventilation cooling structure; Finally, the overall data foundation of fluid and heat parameters calculation of helium cooling medium is established, and the calculation and analysis method of comprehensive physical fields for the driving motor with helium cooling medium is proposed, which will provide basis for the up for the Reliable design and safe and stable operation for the helium circulator driving motor.

高温气冷堆以其具有固有安全性、高效发电和高温供热等特点，成为第四代核能发电系统的首选堆型之一。风机由驱动电机带动，从而推动氦气在反应堆一回路中循环，完成堆芯热量与蒸汽发生器的热交换，驱动电机是风机的核心部件，其工作稳定性直接关系到反应堆的安全运行。电机工作于高压氦气环境中，关于氦气作为其传热介质的传热机理与规律的研究尚未涉及。. 本项目旨在通过研究氦气传热机理和相关传热参量的确定原则，针对电机传热介质及运行环境的特殊性，探索高压氦气环境下电机损耗与传热计算方法，揭示氦气流体形态与风摩损耗及传热计算的内在规律；基于氦气流、热参量等边界条件，提出驱动电机流-固耦合理论模型，为驱动电机通风冷却结构的合理设计建立理论基础；建立起完善的氦气传热介质传热计算、热参量的数据基础，形成完整的氦气环境下电机综合物理场计算分析方法，为风机驱动电机的可靠设计和安全稳定运行奠定基础。

项目针对高压氦气风机驱动电机全空间热交换问题，以某高温气冷堆高压氦气驱动电机为研究对象，根据工程样机参数，确定并建立了氦气风机驱动电机的二维有限元模型，计算了两种供电方式下电机铁耗、铜耗等。综合考虑传热介质种类、高温、高压以及内外换热等复杂条件，建立了电机流热耦合的模型。分析了电机工作腔及电机内的流体雷诺数，分析了截面流阻系数的变化和流体的形态，综合考虑了驱动电机损耗、风扇侧热量的导入和工作腔热交换系统的作用，得到了驱动电机定、转子等主要结构区域的温度分布，揭示电机温度分布随氦气压力、流速等变化的分布规律。提出了以电机通风结构腔为优化变量的氦气媒质风路结构的优化问题，对多工况氦气环境下影响电机温升的因素进行了研究。根据驱动电机通风结构特点，采用流体网络方法建立了电机通风网络模型，结合有限体积法，考虑流体流速、温度等因素与风摩损耗的关系，建立了基于伯努利能量方程的风摩损耗计算模型，揭示了风路几何量变化对风磨摩耗的影响规律。研究表明，当风量一定时，不同结构下的风摩损耗差距不大，但各条风路之间的风摩损耗分布具有较大差异。对比分析了氦气、空气、氢气三种冷却介质流体的冷却特性，完成了电机内氦气通风道内的流体雷诺数计算与分析，给出了电机内不同位置截面流阻系数、不同位置截面流体形态分布、氦气形态及流速与通风沟结构的变化，揭示了不同状态的高压氦气在不同位置截面上的流速分布与规律，分析了气隙内、径向通风沟内氦气形态、流速、流量与压力、温度的影响，以及氦气进入端、出口端位置的电机绕组、铁心部位的冷却效果。.项目研究了以氦气为冷却介质的电机通风结构设计规律，分析了圆直管道中不同压强、不同入口流速、不同热流量下，氦气的沿程阻力系数，并与同等条件下的空气进行了对比，揭示了氦气环境下风机驱动电机通风结构的设计与空气冷却介质的不同之处，给出了氦气环境下驱动电机通风结构的设计建议。