HTR-10GT电磁轴承原理实验台及转子的设计与分析
杨国军孙立斌赵雷于溯源
清华大学
HTR-10GT电磁轴承
原理实验台及转子的设计与分析
Design and Analysis of Principle Experiment Desk and Rotor for Electromagnetic Bearings
for HTR-10GT
杨国军孙立斌赵雷于溯源
（清华大学）
摘要:  10MW高温气冷堆二期工程（HTR-10GT）是国家“十五”863重点项目。在HTR-10GT 能量转换系统（PCU）中，竖直放置的转子上装有透平发电机组，由电磁轴承来支承。转子长约7米，转速达15000r/min，需过数阶临界转速，极具挑战性。本文从原理实验入手，设计了实验台及电磁轴承转子，并
采用MSC.Marc软件，进行了模态分析。分析结果为HTR-10GT电磁轴承实验台的设计提供了理论依据，为实现电磁轴承转子过弯曲临界奠定了基础。
关键词: 高温气冷堆电磁轴承原理实验台转子动力学 MSC.Marc
Abstract: HTR-10GT is the important project for the 863 plan in the period of the tenth five-plan. In the power conversion unit (PCU) of HTR-10GT, the single shaft is vertically amounted to hold the turbine generator group. The electromagnetic bearing is chosen to support the rotor. The rotor length is 7m, and the rotating speed is 15,000r/min. It is vertical in working, and several critical speeds will be passed. This is a challenging project. In this paper, the principle experiment desk and rotor of electromagnetic bearing were designed. The modal analysis was done by MSC.Marc. These results offer the basis to design the electromagnetic bearing experiment desk of HTR-10GT, and to pass natural frequencies.
Key words: high temperature gas-cooled reactor, electromagnetic bearings, principle experiment desk, rotor dynamics, MSC.Marc
1 概述
清华大学承担的10MW高温气冷堆一期工程已经顺利完成，并已通过了国家有关部门的验收，正在进行二期工程——10MW高温气冷堆氦气透平发电系统（HTR－10GT）的研究与建
设。在二期工程中，为了提高高温气冷堆提供高温热的潜力，在蒸汽透平循环有关的安全实验完成之后，采用氦气透平发电机组代替一期中的蒸汽透平热力循环。
HTR －10GT 是国家“十五”863计划后续能源领域重点项目。氦气透平直接循环是国际高温气冷堆领域研究的发展方向，具有广泛的应用前景。这将是世界上第一个高温气冷堆氦气透平直接循环发电装置，具有重要的战略意义。
电磁轴承作为系统中的重要支承部件，目前在反应堆一回路中还没有实际应用过。主要是由于在HTR －10GT 中转子需要过两阶弯曲临界转速，以及保护轴承、控制系统的设计等问题还需要进一步研究和实验，且具有非常大的难度与挑战性。因此，为了项目的顺利进行，需要进行相应的初步实验，验证相关的理论，然后在转入项目中进行实际设计。本文采用MSC.Marc 软件，对正在进行的磁轴承原理实验台架设计与转子的固有频率进行了初步的分析，为实验台磁轴承控制系统的设计提供了基本的参考数据。该实验台将主要进行磁轴承有关控制系统与磁场等相关理论的验证。
2 磁轴承转子固有频率分析
图1给出了磁轴承原理实验台转子的结构，基于有限元方法，采用MSC.Marc 软件分析了转子的固有频率，图2为转子支承刚度与频率的变化关系曲线。
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20406080100120140160180200220240固有频率 H z
支承刚度 N /m
图2  磁轴承转子支承刚度与固有频率关系曲线
图1  磁轴承转子机构简图
3 磁轴承原理试验台架设计
磁轴承转子的工作转速为15000r/min（250Hz）。依此，采用MSC.Marc软件分析了实验台架的固有频率，设计了其基本结构。
图3为采用圆筒、筋板与底座厚度为30，6个筋板的模型。图4与图5为台架前两阶固有频率时的模态。
图3  六筋板试验台架模型
图4  六筋板试验台架一阶模态
图5  六筋板试验台架二阶模态
为了更好地设计台架的结构，采用MSC.Marc软件做了大量的计算，其结果如表1所示。
由于转子的转速为250Hz，因此表中只列出了一阶固有频率的值。
表1  实验台架分析结果
圆筒、筋板与底座厚度为20 圆筒、筋板与底座厚度为30
4个筋板6个筋板4个筋板6个筋板
1 408.284 416.078 436.323 470.916 4 分析与结论
由图2得到的结果可知，转子在250Hz的转速下可以正常的工作，同时为磁轴承控制系
统的设计提供了依据。
reactor 原理由图4、图5和表1的计算结果可知，选取圆筒、筋板与底座厚度为30，可以远离共振
区，工作较为安全。
通过以上的计算分析，可以确定实验台及转子的结构，确保实验台的正常工作，为进行
磁轴承的相关实验提供了有力的力学保障。
5 参考文献
[1] G.施韦策, H.布鲁勒, A.特拉克斯勒. (虞烈等译).主动磁轴承基础、性能及应用[M].
北京: 北京新时代出版社, 1997.
[2] 陈火红.MSC Marc有限元实例分析教程[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

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