第三代非能动压水堆核电技术采用非能动、简化设计理念,显著降低放射性介质泄漏概率以提升安全性。堆芯泄漏的高安全性,要求用屏屏蔽泵替代传统轴封泵。由于屏蔽泵将冷却剂介质引入电机内部,导致主泵电机的水力功耗显著增加,给电机的设计带来了巨大挑战。本文围绕大功率屏蔽电机转子系统水力损耗预测这一问题,以屏蔽式电机有源多回路复杂间隙流道高湍动流动介质作为对象,研究涡伴生间隙环流边界速度结构特征;探索流固界面对间隙环流分区双模式能量输运机理影响;针对设计期望压力循环冷却流动与非期望粘性剪切流,基于间隙流动能量输运机理建立屏蔽电机转子水力损耗预测模型,实现大功率屏蔽电机水力损耗预测,揭示大功率屏蔽电机转子系统水力损耗组成及其对主泵扩容设计效率的影响规律。本文研究工作主要包括以下三方面内容:一、间隙环流泰勒涡演化规律及其对环流速度结构影响为揭示间隙环流速度沿径向变化规律,以获得屏蔽电机内冷介质粘性剪切阻力矩,采用CFD仿真分析方法,研究了定间隙条件下间隙环流内部泰勒涡随转子转速的变化过程,揭示了泰勒涡对间隙环流速度结构的影响规律;研究了不同间隙比条件下间隙环流内部泰勒涡的演化及畸变规律,结果表明泰勒涡的存在将改变间隙环流速度结构沿半径方向的变化规律;随着间隙增大,间隙环流的速度梯度减小,相应阻力矩减小,且间隙环流内部平均环流速度相对降低。建立了间隙环流流动状态及阻力特性实验验证平台,实验研究结果表明,泰勒涡的生成与演化相对于间隙环流间隙比以及转子转速的变化规律与仿真结果吻合。仿真分析与实验测试进一步表明,间隙环流转子阻力矩随着泰勒数的增大而增大;径向间隙越大,间隙环流阻力矩增长越缓慢;相同泰勒数下,大间隙环流阻力矩小于小间隙环流阻力矩。研究结果为评估和预测屏蔽电机定转子以及飞轮间隙环流区冷却介质的粘性阻力特性随间隙尺寸与回转速度两个主要参数的变化规律提供了理论依据。二、流道表面特性对间隙环流流固界面阻力特性影响规律为了揭示间隙环流流道结构表面的微结构等几何性能对间隙环流流动阻力矩的影响规律,以减少水力功耗,采用理论分析与实验测试相结合的手段,建立了固体表面几何性能对间隙环流阻力影响的评估方法。通过实验测试,得到不同表面质量的转子阻力矩,通过数据拟合,获得不同表面无量纲阻力矩随泰勒数的指数变化规律。基于能量传递原理,将间隙环流与转子之间的能量传递过程分解为分子粘性输运和对流扩散输运两部分,通过对间隙环流速度沿径向变化曲线求导得到速度梯度,获得分子粘性输运能量沿着径向方向的变化规律;根据实验测得流体阻力矩与转子速度,获得间隙环流总的水力功耗中对流扩散输运的能量沿间隙环流径向方向的变化规律;从而确定间隙环流在不同径向位置进行能量输运的主导模式。对于间隙环流定转子结构表面,基于表面粗糙度、峰值粗糙度、艾尔伯特曲线、过流表面积等表面特征参数,结合流固界面能量传递的对流扩散模式与分子粘性输运模式,提出将反映对流扩散影响的峰值粗糙度和反映分子粘性输运的过流表面积作为流道表面阻力性能的主要评价指标,并得到实验验证。三、屏蔽电机水力功耗建模预测及主泵扩容设计效率评估采用CFD仿真分析了屏蔽电机间隙内部压力循环流动与粘性剪切流动的流动规律,结果表明主泵屏蔽电机的水力功耗主要由粘性剪切流动形成。作为非设计期望粘性剪切流水力损耗是屏蔽电机转子水力损耗的主要形式,上下飞轮所消耗的水力损耗约占屏蔽电机转子系统粘性剪切损耗的二分之一,转子屏蔽套约占三分之一,轴承系统约占六分之一。此外,屏蔽电机转子系统的不同位置能量损耗密度也具有显著的不均匀性,推力轴承以及飞轮圆柱面是屏蔽电机转子系统能量损耗密度最显著的位置。屏蔽电机在进行增尺扩容设计的过程中,受电气元件材料能量转换密度增长限制的情况下,屏蔽电机屏蔽套的电磁涡流损耗、转子系统水力损耗随电机几何结构尺寸的增长速度快于屏蔽电机功率随尺寸的增长速度,因此屏蔽增尺扩容设计会使得屏蔽电机有效能量转换率进一步下降,效率进一步降低。通过全文研究,分析了间隙环流涡伴生流动的速度结构特征,研究了间隙环流双模式能量输运机理,建立了基于设计期望压力流与非设计期望粘性剪切流的转子系统水力损耗预测模型,预测了屏蔽式核主泵水力损耗及分布特征,揭示了屏蔽电机转子水力损耗对主泵扩容设计效率的影响规律。为大功率屏蔽式核主泵的自主化设计提供了理论基础和技术方法。