CN102410234A - 屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台及测试方法，平台包括变频电机、联轴器、屏蔽电机、静压管、流量计、压力传感器、电机托盘、循环管路、支撑架以及密封圈。本发明通过外置变频电机来拖动简化屏蔽电机，剔除了屏蔽电机的屏蔽损耗；通过压力传感器得到辅助叶轮产生的压差，通过流量计得到流经中部辅助叶轮的流量，从而快速分离出屏蔽电机压力流的功率损耗；在屏蔽泵转子中部安装可更换式辅助叶轮，对压力流的流量进行调节；通过更换定子套筒改变屏蔽泵转子与定子的间隙，从而研究不同间隙对冰壁泵压力流和剪切流功率损耗的影响。本发明能获得屏蔽式电机的水力损耗，为屏蔽式电机的结构参数优化提供参考。

Description

屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台及测试方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台及测试方法。

 

背景技术

核主泵的功能是驱动核岛内的高温、高压水在一级回路中循环，将反应堆芯核裂变的热能传递给蒸汽发生器产生蒸汽，推动汽轮机发电。由于一级回路水具有放射性，因此要求核主泵无泄漏。

核主泵可供选择的方案主要有两种：轴封泵和屏蔽泵。虽然轴封泵效率较屏蔽泵高，但是在高温、高压环境下，其存在动密封难度较大这一缺陷。针对动密封难度较大这一问题，屏蔽泵将整个泵壳作为工作介质的压力边界，将工作液体引入电机内部，从而将动密封问题转换为静密封。屏蔽泵通过压力边界的转换，很好的解决了高压动密封这一问题，从而有效地防止放射性一级回路水的外泄，提高了屏蔽泵安全服役的可靠性，因此，目前AP1000系统的主泵选择了屏蔽泵。

屏蔽泵通过压力边界的转换，将动密封问题转换为静密封问题，解决了高压动密封问题。但与此同时，将工作液体引入屏蔽电机内部，从而引入了工作介质在屏蔽电机内部流动的问题。工作液体在屏蔽泵内部流动的过程中，主要有两大作用：散热与润滑，即带走电机产生的热量和润滑电机内部的轴承。完成这两大功能的同时，由于液体存在粘性，这也造成了屏蔽泵的一部分功率用于克服粘性力做功。 

屏蔽电机的一大缺点就是效率较低。造成屏蔽电机功率较低的原因有多种，其中包括：屏蔽电机转子和定子上安装屏蔽套引起的屏蔽功率损耗，转子系统表面由于受到粘性力作用力引起的功率损耗损耗以及轴承产生的功率损耗。目前的测量方法，基本上都是得到电机的总功率损耗，这对进一步分析各损耗所占的大小造成不便，并且限制了深入分析影响各损耗的因素的定量关系。

 

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台及测试方法，利用该平台能获得屏蔽式电机在一定转速范围内的水力损耗，为屏蔽式电机的结构参数优化提供参考。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，包括变频电机、联轴器、屏蔽电机、静压管、毕托管流量计、第一压力传感器、电机托盘、电磁流量计、第二压力传感器、循环管路、支撑架以及密封圈；所述变频电机与屏蔽电机通过联轴器连接，所述屏蔽电机与联轴器之间设有密封圈，所述屏蔽电机下方设有静压管以及第一压力传感器，所述屏蔽电机中部设有第二压力传感器，所述屏蔽电机通过支撑架支撑，所述支撑架上设有电机托盘，所述毕托管流量计、电磁流量计位于屏蔽电机下方，且与循环管路相通。

所述屏蔽电机包括上飞轮、上径向轴承、辅助叶轮、下径向轴承、推力轴承、下飞轮、静压管固定螺母、定子套筒以及转子屏蔽套；所述上飞轮与上径向轴承连接，所述辅助叶轮与推力轴承通过下径向轴承连接，所述推力轴承与下飞轮连接，所述转子屏蔽套位于屏蔽泵转子和定子套筒之间，所述定子套筒与转子屏蔽套之间有间隙；静压管固定螺母固定静压管。

所述第一和第二压力传感器用于得到中部辅助叶轮产生的压差，所述毕托管流量计和电磁流量计用于测量流经辅助叶轮的流量，从而可以快速分离出屏蔽电机压力流的功率损耗。

本发明为了便于改变电机转子屏蔽套与定子之间的间隙，测量不同间隙下的屏蔽电机的水力功率损耗，去掉电机定子中的励磁线圈，直接采用不锈钢加工出多个不同内径的定子套筒来代替定子。屏蔽泵转子和定子之间的间隙可通过更换不同内径的定子套筒来改变。为了剔除掉电机的屏蔽损耗，采用外置变频电机来驱动屏蔽电机。

本发明提供一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试方法，包括如下步骤：

第一步，启动外置变频电机，变频电机通过联轴器拖动屏蔽电机，屏蔽电机的转子系统在工作液体中进行转动；工作介质将形成两种运动，一种流动为压力作用下的流动，将其称为压力流；另一种流动为转子高速转动带动壁面附近的液体流动，将其称为剪切流；

第二步，屏蔽电机启动后，电机内部的工作介质在辅助叶轮的离心力作用下，形成局部高压，该压力迫使工作介质形成两路循环回路；第一路工作介质经过定子套筒和转子屏蔽套所形成的间隙，然后通过上径向轴承，再通过上飞轮与外壳形成的间隙，汇集后，流经外部循环管路和电磁流量计，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮处；第二路工作介质经过下径向轴承，再通过推力轴承以及下飞轮与外壳形成的间隙，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮处；电机转子在高速转动的过程中，由于工作介质存在粘性作用，贴近转子屏蔽套壁面处的薄层工作介质将随着简化屏蔽电机的转子做高速转动。

测试过程中，外置变频电机的工作电流和工作电压可通过变频电机的控制器上的示数读取；辅助叶轮产生的局部高压可通过压力传感器的示数差得到；流过中部辅助叶轮的流量可通过电磁流量计和毕托管流量计的示数和来确定。

第三步，采集变频电机工作参数，以及压力传感器、电磁流量计和毕托管流量计测得的参数，进行屏蔽电机功率分离，得到屏蔽电机的总水力损耗、压力流功率损耗以及转子剪切流功率损耗。

本发明提供一种用于上述测试方法的屏蔽电机功率分离的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采集变频电机工作参数：变频电机的工作电流                                                

和工作电压通过变频电机的控制器上的示数读取，根据曹玉泉等人在《变频调速输油电机功率因素和频率、负载率的关系》中提出的方法(由于是公知技术，在此就不再详说)得到变频电机功率因素

以及变频电机的效率

，输入屏蔽电机的功率

通过变频电机1的电压、电流、功率因素以及变频电机1的效率计算；

（2）采集压力传感器的示数差，得到辅助叶轮产生的局部高压； 为第一压力传感器与第二压力传感器的示数

和

差，即：

；                                          

（3）采集电磁流量计和毕托管流量计的示数，确定流过中部辅助叶轮的流量；Q为电磁流量计的示数

和毕托管流量计的示数

的和，即： ；

（4）根据所采用的联轴器的类型，在机械设计手册中查到联轴器的效率

；

（5）根据测试平台中的密封圈，查到密封圈的效率

；

（6）径向轴承的功率损耗

和推力轴承的功率损耗查找轴承手册获得；

（7）根据步骤（1）-（6）的参数，屏蔽电机的总水力损耗为：

                                   

压力流功率损耗为：

               

转子剪切流的功率损耗为：

                                           

其中，n为变频电机转速，

为径向轴承功率损耗，

为推力轴承功率损耗，

为联轴器效率，

为密封圈效率，

为屏蔽电机总水力损耗，为压力流水力损耗，为剪切流水力损耗，

为中部辅助叶轮压差，

为第一压力传感器示数，为第二压力传感器示数，为屏蔽电机内部循环总流量，

为电磁流量计示数，

为毕托管流量计示数。

本发明的有益效果：采用外置变频电机来驱动屏蔽电机，解决了电机的屏蔽损耗；去除电机定子中的励磁线圈，直接采用不锈钢加工出多个不同内径的定子套筒来代替定子，改变了电机转子屏蔽套与定子屏蔽套之间的间隙，更有利于测量不同间隙下的屏蔽电机的水力功率损耗。利用本发明平台能获得屏蔽式电机在一定转速范围内的水力损耗，为屏蔽式电机的结构参数优化提供参考。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的屏蔽电机局部结构示意图一。

图3为本发明的屏蔽电机局部结构示意图二。

图4为本发明的屏蔽电机局部结构示意图三

图5为静压管固定螺母的结构示意图。

图中：1、变频电机，2、联轴器，3、屏蔽电机，4、静压管，5、毕托管流量计，6、第一压力传感器，7、电机托盘，8、电磁流量计，9、第二压力传感器，10、循环管路，11、支撑架，12、密封圈，13、上飞轮，14、上径向轴承，15、辅助叶轮，16、下径向轴承，17、推力轴承，18、下飞轮，19、静压管固定螺母，20、定子套筒，21、转子屏蔽套。

 

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征与达成目的易于明白理解，以下结合具体实施例进一步阐述本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，包括变频电机1、联轴器2、屏蔽电机3、静压管4、毕托管流量计5、第一压力传感器6、电机托盘7、电磁流量计8、第二压力传感器9、循环管路10、支撑架11以及密封圈12；所述变频电机1与屏蔽电机3通过联轴器2连接，所述屏蔽电机3与联轴器2之间设有密封圈12，所述屏蔽电机3中部设有第二压力传感器9，所述屏蔽电机3下方设有静压管4以及第一压力传感器6，所述屏蔽电机3通过支撑架11支撑，所述支撑架11上设有电机托盘7，所述毕托管流量计5、电磁流量计8位于屏蔽电机3下方，且与循环管路10相通。

如图2-5所示，所述屏蔽电机3包括上飞轮13、上径向轴承14、辅助叶轮15、下径向轴承16、推力轴承17、下飞轮18、静压管固定螺母19、定子套筒20、转子屏蔽套21，所述上飞轮13与上径向轴承14连接，所述辅助叶轮15与推力轴承17通过下径向轴承16连接，所述推力轴承17与下飞轮18连接，转子屏蔽套21位于屏蔽泵转子和定子套筒20之间，所述定子套筒20与转子屏蔽套21之间有间隙。静压管固定螺母19固定静压管4。

其中，所述静压管固定螺母19由内六角螺母改造而成。

其中，为了能在较宽转速范围内测量屏蔽式电机的水力功率损耗，采用变频电机1来进行拖动，其转速

可在0-1500rpm之间调节。

如图1所示，本实施例通过外置变频电机来拖动简化屏蔽电机，剔除了屏蔽电机的屏蔽损耗。通过压力传感器6和9的位置布置，能够快速得到中部辅助叶轮15产生的压差，通过流量计5和8能快速得到流经中部辅助叶轮15的流量，从而可以快速分离出屏蔽电机压力流的功率损耗。

如图3所示，本实施例在屏蔽泵转子中部安装可更换式辅助叶轮15。通过更换辅助叶轮15，可以改变压力流的压差，从而对压力流的流量进行调节。

如图4所示，本实施例将屏蔽泵的定子设计为一系列不同内径的不锈钢圆柱套筒20。通过更换不锈钢圆柱套筒，可以改变屏蔽泵转子与定子之间的间隙，从而研究不同间隙对冰壁泵压力流和剪切流功率损耗的影响。

实施例2

本实施例提供一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试方法，本实施例涉及的屏蔽电机，具有飞轮与辅助叶轮结构。转动过程中，屏蔽电机水力损耗分为转子压力流功率损耗与转子剪切流功率损耗两大部分。但是，这两种功率损耗常与水润滑轴承功率损耗、电机屏蔽损耗等其他损耗混合在一起，以屏蔽电机的总功率损耗的形式表现出来。压力流功率损耗与剪切流功率损耗在总损耗中占多大比例，往往只能通过计算来得到，缺少试验数据。

本实施例测试方法包括以下步骤：

第一步，启动变频电机1，变频电机1通过联轴器2拖动屏蔽电机3，屏蔽电机3的转子系统在工作液体中进行转动。工作介质将形成两种运动，一种流动为压力作用下的流动，将其称为压力流；另一种流动为转子高速转动带动壁面附近的液体流动，将其称为剪切流。

第二步，屏蔽电机3启动后，变频电机1内部的工作介质在辅助叶轮15的离心力作用下，形成局部高压，该压力迫使工作介质形成两路循环回路。第一路工作介质经过定子套筒20和转子屏蔽套21所形成的间隙，然后通过上径向轴承14，再通过上飞轮13与外壳形成的间隙，汇集后，流经外部循环管路10和电磁流量计8，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮15处。第二路工作介质经过下径向轴承16，再通过推力轴承17以及下飞轮18与外壳形成的间隙，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮15处。电机转子在高速转动的过程中，由于工作介质存在粘性作用，贴近转子屏蔽套壁面处的薄层工作介质将随着简化屏蔽电机3的转子做高速转动。

测试过程中，变频电机1的工作电流和工作电压可通过变频电机的控制器上的示数读取。辅助叶轮15产生的局部高压可通过压力传感器9和6的示数差得到。流过中部辅助叶轮的流量可通过电磁流量计8和毕托管流量计5的示数和来确定。

第三步，采集变频电机3工作参数，以及压力传感器6、9、电磁流量计5和毕托管流量计8测得的参数，进行屏蔽电机3功率分离，得到屏蔽电机3的总水力损耗、压力流功率损耗以及转子剪切流功率损耗。

 

实施例3

本实施例提供一种用于实施例2的屏蔽电机3功率分离的方法：

（1）采集变频电机1的工作参数，屏蔽电机3的功率通过变频电机1的电压、电流、功率因素以及变频电机1的效率来计算，计算公式如下：

                                   

其中：

为输入简化屏蔽电机3的总功率损耗，

表示输入变频电机的电压， 

表示输入变频电机的电流，

表示变频电机的功率因数，

表示变频电机的效率。

（2）采集压力传感器6、9的示数差

，得到辅助叶轮15产生的局部高压； 

为第一压力传感器6与第二压力传感器9的示数和差，即：

；                                          

（3）采集电磁流量计5和毕托管流量计6的示数和，确定流过中部辅助叶轮15的流量；

Q为电磁流量计的示数和毕托管流量计的示数

的和，即：

 ；

（4）根据所采用的联轴器2的类型，可以在机械设计手册中查到相应的效率

。

（5）测试平台中，采用了密封圈12，根据密封圈12的类型，可以查到相应的效率

。

（6）径向轴承14的功率损耗

和推力轴承17的功率损耗

可查找相应的轴承手册获得。

（7）屏蔽电机3的总水力损耗为：

                                   

压力流功率损耗为：

                                      

转子剪切流的功率损耗为：

                                           

其中，n为变频电机转速（rpm），

为径向轴承功率损耗（W），

为推力轴承功率损耗（W），

为联轴器效率，

为密封圈效率，

为屏蔽电机总水力损耗（W），

为压力流水力损耗（W），

为剪切流水力损耗（W），

为中部辅助叶轮压差（Pa），

为第一压力传感器示数（Pa），

为第二压力传感器示数（Pa），

为屏蔽电机内部循环总流量（m^3/h），

为电磁流量计示数（m^3/h），

为毕托管流量计示数（m^3/h）。

综上，本发明通过外置变频电机来拖动简化屏蔽电机，剔除了屏蔽电机的屏蔽损耗；通过压力传感器6和9的位置布置，能够快速得到中部辅助叶轮产生的压差，通过流量计5和8能快速得到流经中部辅助叶轮的流量，从而可以快速分离出屏蔽电机压力流的功率损耗；在屏蔽泵转子中部安装可更换式辅助叶轮15，通过更换辅助叶轮15，可以改变压力流的压差，从而对压力流的流量进行调节；将屏蔽泵的定子设计为一系列不同内径的不锈钢圆柱套筒20，通过更换不锈钢圆柱套筒，可以改变屏蔽泵转子与定子之间的间隙，从而研究不同间隙对冰壁泵压力流和剪切流功率损耗的影响。利用该平台能获得屏蔽式电机在一定转速范围内的水力损耗，为屏蔽式电机的结构参数优化提供参考。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：包括变频电机、联轴器、屏蔽电机、静压管、毕托管流量计、第一压力传感器、电机托盘、电磁流量计、第二压力传感器、循环管路、支撑架以及密封圈；所述变频电机与屏蔽电机通过联轴器连接，所述屏蔽电机与联轴器之间设有密封圈，所述屏蔽电机下方设有静压管以及第一压力传感器，所述屏蔽电机中部设有第二压力传感器，所述屏蔽电机通过支撑架支撑，所述支撑架上设有电机托盘，所述毕托管流量计、电磁流量计位于屏蔽电机下方，且与循环管路相通，

所述屏蔽电机包括上飞轮、上径向轴承、辅助叶轮、下径向轴承、推力轴承、下飞轮、静压管固定螺母、定子套筒以及转子屏蔽套；所述上飞轮与上径向轴承连接，所述辅助叶轮与推力轴承通过下径向轴承连接，所述推力轴承与下飞轮连接，所述转子屏蔽套位于屏蔽泵转子和定子套筒之间，所述定子套筒与转子屏蔽套之间有间隙；所述静压管固定螺母固定静压管。

2.根据权利要求1所述的屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述第一和第二压力传感器用于得到中部辅助叶轮产生的压差，所述毕托管流量计和电磁流量计用于测量流经辅助叶轮的流量。

3.根据权利要求1所述的屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述屏蔽电机中去掉电机定子中的励磁线圈，采用多个不同内径的定子套筒来代替定子，屏蔽泵转子和定子之间的间隙通过更换不同内径的定子套筒来改变。

4.根据权利要求1所述的屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述变频电机的转速为0-1500rpm。

5.根据权利要求1所述的屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述辅助叶轮为可更换式辅助叶轮，通过更换辅助叶轮改变压力流的压差，从而对压力流的流量进行调节。

6.一种采用权利要求1所述平台的屏蔽式电机转子系统水力损耗测试方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，启动变频电机，变频电机通过联轴器拖动屏蔽电机，屏蔽电机的转子系统在工作液体中进行转动；工作介质将形成压力流和剪切流；

第二步，屏蔽电机启动后，电机内部的工作介质在辅助叶轮的离心力作用下，形成局部高压，该压力迫使工作介质形成两路循环回路：第一路工作介质经过定子套筒和转子屏蔽套所形成的间隙，然后通过上径向轴承，再通过上飞轮与外壳形成的间隙，汇集后，流经外部循环管路和电磁流量计，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮处；第二路工作介质经过下径向轴承，再通过推力轴承以及下飞轮与外壳形成的间隙，最后通过中通的转子轴回到中部辅助叶轮处； 

第三步，采集变频电机工作参数，以及压力传感器、电磁流量计和毕托管流量计测得的参数，进行屏蔽电机功率分离，得到屏蔽电机的总水力损耗、压力流功率损耗以及转子剪切流功率损耗。

7.根据权利要求6所述的一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述屏蔽电机中去掉电机定子中的励磁线圈，采用多个不同内径的定子套筒来代替定子，屏蔽泵转子和定子之间的间隙通过更换不同内径的定子套筒来改变。

8.根据权利要求6所述的一种屏蔽式电机转子系统水力损耗测试平台，其特征在于：所述辅助叶轮为可更换式辅助叶轮，通过更换辅助叶轮改变压力流的压差，从而对压力流的流量进行调节。

9.一种用于权利要求6的屏蔽电机功率分离的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）采集变频电机工作参数，变频电机的工作电流                                                

和工作电压

通过变频电机的控制器上的示数读取，获取功率因素

以及变频电机的效率

，可计算获得输入屏蔽电机的功率

；

（2）采集压力传感器的示数差

，得到辅助叶轮产生的局部高压； 为第一压力传感器与第二压力传感器的示数

和

差，即：

； 

（3）采集电磁流量计和毕托管流量计的示数，确定流过中部辅助叶轮的流量；Q为电磁流量计的示数和毕托管流量计的示数

的和，即：

 ；

（4）根据所采用的联轴器的类型，在机械设计手册中查到联轴器的效率

；

（5）根据测试平台中的密封圈类型，查到密封圈的效率；

（6）径向轴承的功率损耗

和推力轴承的功率损耗查找轴承手册获得；

（7）根据步骤（1）-（6）的参数，屏蔽电机的总水力损耗为：

                                   

压力流功率损耗为：

               

转子剪切流的功率损耗为：

                                           

其中，n为变频电机转速，

为径向轴承功率损耗，

为推力轴承功率损耗，

为联轴器效率，

为密封圈效率，

为屏蔽电机总水力损耗，为压力流水力损耗，

为剪切流水力损耗，为中部辅助叶轮压差，

为第一压力传感器示数，

为第二压力传感器示数，为屏蔽电机内部循环总流量，

为电磁流量计示数，

为毕托管流量计示数。

10.根据权利要求9所述的屏蔽电机功率分离的方法，其特征在于：所述输入屏蔽电机的功率通过变频电机的电压、电流、功率因素以及变频电机的效率计算得到，计算公式如下：

                                   

其中：

为输入简化屏蔽电机3的总功率损耗，

表示输入变频电机的电压，

表示输入变频电机的电流，

表示变频电机的功率因数，

表示变频电机的效率。

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