模块式高温气冷堆作为未来核电领域最具发展潜力的方案之一，具有固有安全性、系统简化、发电效率高等优点，并且可以采取模块化施工建设，是被国际核能界公认的具有第四代核电系统特性的优秀堆型之一^[1-12]。为此，模块式高温气冷堆示范工程(high temperature reactor-pebblebed modules，HTR-PM)被列入了中国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中。

主氦风机是高温气冷堆的核心部件，为避免主氦风机的驱动电机转轴穿过压力容器而造成氦气的动密封泄漏等问题，HTR-PM的主氦风机采用了整体置入式结构，即将风机与电机同轴，并整体安装在一回路的压力边界内，如图 1所示。主氦风机的叶轮装在驱动电机的轴端，风机和电机作为一个整体安装在反应堆蒸汽发生器的上部，并与下面的蒸汽发生器共用一个压力容器。由于驱动电机是氦气置入式结构，电机转子与气体摩擦发热及电机的电磁发热等所产生的热量如果不及时带出，将在电机舱内累积。同时，在额定工况下，叶轮处的温度为250 ℃，主氦风机电机舱外的环境温度也高达100 ℃，而为了使电机能够正常运行，电机的环境温度不能超过65 ℃，因此，还将有部分热量从电机舱外热传导进入电机舱内。由此可见，及时带走电机自身产生的热量和周围传导来的热量，而使电机保持在额定工作温度范围内是十分必要的。

国内外常用的电机冷却方案大体可分为水冷和风冷2种。在本研究中，由于主氦风机一体化结构限制，对主氦风机驱动电机的冷却无法采用水冷方案。而多数电机制造厂家所制造的与电机相配套的冷却系统大多十分简单，常见的就是用一个简单的风扇进行空冷。由于这些电机的常用工作环境大多暴露在空气中，用一个简单的风扇带动空气进行空冷就可以提供足够的冷却作用。但是，如果将其置于HTR-PM电机舱这样一个复杂环境中，其冷却效果、效率和可靠性都存在一定的未知性和风险。因此在HTR-PM中，需要在内部设计一个配套辅助叶轮对电机转子和定子之间的冷却流道进行气体强制对流冷却。在此之前，因为不了解电机冷却流道的相关热工参数，所以辅助叶轮并非针对性设计，存在由于流量压头过大而导致的功耗大、效率低的弊端。

本文通过实验得到冷却流道的相关热工参数，为下一步的辅助叶轮优化设计提供参考依据。

1 实验研究 1.1 实验系统

实验系统由2个回路组成，整体结构如图 2所示。一回路包括主氦风机，用于调节气体流量的控制阀以及电机冷却流道进出口处设置的温度计和压力表等。二回路为冷却回路，在本文实验中通过冷却水的换热量来计算电机发热功率，冷却水系统包括上下2个水回路，均设置有独立的水泵、流量计、温度计、压力表和阀门。在本实验中，一回路中的主氦风机使用了1:1尺寸的工程样机，其具体结构如图 3所示，包括驱动电机、电机冷却流道、用于主氦风机电机冷却的上下2个辅助叶轮，同时在电机冷却流道进出口处均设置有温度和压力传感器。

1.2 实验路线 1.2.1 电机热功率实验

主氦风机驱动电机的发热实验使用冷却水系统进行测定，通过进水流道上设置的阀门开度来调节冷却水的流量。在每个回路的进出水流道中，均设置温度计用于实时监控温度。同时在进水流道处设置流量计，用于监控实时的冷却水体积流量。在电机舱中，同样设置有用于监控电机温度的温度计。

在实验中，通过调节主氦风机转速，保证电机在额定功率下运行，同时通过调节上下2个冷却水流道的阀门开度，控制流经冷却器的冷却水流量，并同时保证电机温度保持稳定不变。

最终，在主氦风机额定工况下，得到上下2个冷却水系统的流量V₁、V₂和温升ΔT₁、ΔT₂。

1.2.2 主氦风机全性能实验

主氦风机额定工况下的工作介质是7 MPa的氦气，但因为在7 MPa高压下，对循环回路的密封性有较高要求，实际实验中发现有较明显的氦气泄漏情况，同时氦气本身的成本也比较高；在1 MPa的条件下氮气的密度和7 MPa下的氦气密度相等，相关物性参数比较接近，而回路压力明显减小，实验难度和成本也明显下降，所以最终使用氮气进行实验。

实验装置在主氦风机电机冷却流道进出口处均设置有温度计和压力表，用于测量进出口参数。同时，在电机冷却流道入口处设置流量计，并通过控制进气阀门开度来控制气体流量，进而达到控制流道中气体流速和雷诺数的作用。

为了得到完整的流动特性，根据雷诺数Re的不同，设计了9个工况，如表 1所示。

将压降数据和雷诺数进行对比分析，可以得到流道的阻力特性曲线，对其进行函数拟合处理，得到完整流动区间的阻力特性公式。

2 实验结果与分析

HTR-PM主氦风机的额定运行工况为流道压力7 MPa，平均温度320 K。驱动电机额定转速为3 750 r/min，功率为4 500 kW。实验得到主氦风机额定工况下达到散热平衡时的热量带出情况，并通过二回路冷却水流量V₁、V₂和温升ΔT₁、ΔT₂多次实验取平均后，根据以下公式求出电机发热功率P：

$ P = {P_1} + {P_2} = \rho {C_{\rm{v}}}{V_1}\Delta {T_1} + \rho Cv{V_2}\Delta {T_2}. $

(1)

其中：C_v为水的比热容，V₁、V₂分别为上下冷却水流道的体积流量，T₁、T₂分别为上冷却水流道的进出口温差; 代入实验数据可得到P为530 kW。

实验得到额定工况下电机冷却流道的传热特性，如图 4所示。

努塞尔数Nu与雷诺数Re的传热特性公式如下：

$ Nu = 0.12{\mathit{R}}{\mathit{e}^{0.8}}{\mathit{P}}{\mathit{r}^{0.4}}. $

(2)

其中Re适用范围为2.2×10⁶~5.3×10⁶。

实验得到额定工况下电机冷却流道的流动特性，并通过阻力系数f和雷诺数Re拟合函数曲线，如图 5所示。

根据实验得到的拟合函数，代入氦气工质额定工况下的雷诺数和物性参数，计算得到额定工况下氦气工质的流道压降：

$ \Delta {P_{{\rm{He}}}} = \frac{1}{2}{\rho _{{\rm{He}}}}v_{{\rm{He}}}^2\frac{{{f_{{\rm{He}}}}l}}{d}. $

(3)

代入数据可得：

$ \Delta {P_{{\rm{He}}}} = 9.65{\rm{kpa}}{\rm{.}} $

其中：ρ_He为氦气密度，v_He为流速，f_He为沿程阻力系数，l为流道长度，d为流道等效直径。

根据流量公式：

$ V = \frac{1}{4}{\rm{ \mathsf{ π} }}\left( {D_0^2-d_0^2} \right)v, $

(4)

得到氦气的体积流量：

$ {V_{{\rm{He}}}} = 2.16{{\rm{m}}^3}/{\rm{s}}{\rm{.}} $

3 结论

本文获得了HTR-PM主氦风机冷却系统流动特性和传热特性，为该专用冷却系统的进一步优化提供基础。实验研究得出了额定工况下主氦风机驱动电机发热功率为530 kW，其发热功率占总功率比约为12%，目前的配套辅助叶轮可以满足电机散热要求。根据本文的研究，HTR-PM主氦风机驱动电机的一体化散热叶轮额定工况应满足压头9.65 kPa和流量2.16 m³/s。在满足散热要求的前提下，尽量减小压头和流量能有助于减小叶轮效率。