CN102803972B - 用于测量在管道中流动的流体的速度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量管道中的流体的速度的装置(1)。根据本发明，在流体轴承(3)与固定在涡轮机(10)上的中空管(30)之间执行调整和表面粗糙度评估，将摩擦减小到能够测量之前未研究过的小于1cm/s的速度的程度。

Description

用于测量在管道中流动的流体的速度的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量在管道中流动的流体的速度的装置。

本发明所覆盖的应用是所有那些需要测量流体在非常低的速度下的流量或速度的应用，并且本发明显然使得尺寸标注工具或安全性分析工具符合要求。

一种特别应用是测量核电反应堆中的载热流体在所有工作状态中(在正常工作(强制对流)状态下或在意外状况或被动冷却(自然对流)状况中)的速度。

背景技术

到目前为止已使用各种测量装置来测量低速流。

在当前使用的各种技术中，那些使用组装在轴承(蓝宝石枢轴承、球轴承)上、通常具有几片略微倾斜的叶片的涡轮机的技术不能够测量小于约1cm/s的流速(在所测量的是水或水的等同物的情况下)。实际上，由于现有的涡轮机的设计和制造，它们在以小于1cm/s的速度流动的流体中中断，即不再旋转。

然而，本发明人需要知道该值以下的流速。实际上，缺少了这种知识，不太可能使尺寸标注工具或分析工具在核反应堆中的自然对流下的冷却的意外情况中符合要求。

因此本发明的目的是提供一种用于测量流体(诸如液态水)的小于1cm/s的流速的技术方案。

一个特别目的是以低成本提供这种方案。

发明内容

为此，本发明的目的是提供一种用于测量在管道中流动的流体的速度的装置，包括：

涡轮机，包括多个叶片，所述叶片的外径约为管道的内径，

流体型(fluid type)的轴承，包括：作为移动元件的中空管，所述中空管在一侧上被封住，并与叶片相接合；作为相对于管道附接的元件的轴，所述轴在中空管中被调整，并从内部被至少一个被称作润滑流进入通道的第一通道以及至少一个被称作润滑流排出通道的第二通道穿孔(perforate)，其中，第一通道和第二通道限定液压回路的一部分。

根据本发明，液压回路适于在从管道外部通过加压的润滑流供给进入通道期间，致使所述加压的润滑流以厚度对应于被穿孔的轴与中空管之间的间隙的薄膜(film)的形式同时在轴的外围与中空管之间以及轴的端部与中空管的底座之间循环，并随后通过排出通道恢复液压回路，其中，以这种方式形成的润滑流薄膜以及中空管的调整后的壁的表面光洁度(finish，粗糙度)和轴的调整后的壁的表面光洁度使得在中空管与轴之间产生的摩擦最小，小到涡轮机的叶片可旋转的程度，并且从而当流体以小于1cm/s的速度在管道中流动时，能够测量所述流体的速度。

被穿孔的轴与中空管之间的轴端余隙优选地小于50μm，且典型地约为22μm。

而且优选地，被穿孔的轴与中空管之间的被称作关于半径的间隙的径向间隙优选地小于50μm，且典型地约为32μm。

有利地，中空管的调整后的壁的表面光洁度和轴的调整后的壁的表面光洁度小于0.1μm。

根据一有利实施例，液压回路包括：

润滑流进入通道，沿轴的长度从内部穿孔，并在所述轴中居中，

轴向液压流动室，进入通道经由校准后的液压阻力出现在所述轴向液压流动室中，并且所述轴向液压流动室出现在轴的与被封住的管道的底座相对的端部处，

两个径向液压流动室平台，进入通道经由校准后的液压阻力出现在每个平台中，并且所述两个径向液压流动室平台径向出现在轴的圆周上，其中，每个流动平台以不同于另一流动平台的轴向尺寸制造，并包括均匀地分布在轴的圆周上的至少三个相同的室，

三个润滑流排出通道，每个润滑流排出通道均在轴中从内部穿孔，并并行地分布在润滑流进入通道周围，

三个排出平台，每个排出平台均同时出现在轴的整个外围上和其中一个润滑流排出通道上；其中，其中一个排出平台以介于流动平台的两个尺寸之间的一尺寸来制造，并且其中，另一排出平台以介于最靠近轴向流动室的径向流动平台的尺寸与轴向流动室的尺寸之间的一尺寸来制造，并且其中，所述平台中的第三平台制造在轴的与面向中空管的底座的端部相对的端部处。校准后的液压阻力全都具有相同的值。

本发明人明智地希望将单向型的通常被称作静压推力轴承的流体推力轴承与通常被称作静压轴承的流体动力轴承的现有功能结合起来，但并非像惯常情况那样必须安装彼此分开的两个流体轴承，以便如果出现基本径向的扭矩值，则将载荷保持在轴承的轴线中。

实际上，本发明人熟知单向流体推力轴承(静压推力轴承)的功能，即无论轴承遭受何种干扰都将载荷保持在沿单个轴向方向(向上)的轴向位置中。本发明人还熟知流体动力轴承(静压轴承)的功能，即将载荷保持在轴承的轴线中。但是到目前为止，无论所考虑的应用是怎样的，当期望获得足够的径向动量调整扭矩时，都绝对必须使用彼此分开一最小段距离的两个轴承。

本发明人明智地设计了从内部被穿孔的单个部件(中空轴)，将所有这些功能结合到其中(单向流体动力推力轴承；流体动力轴承；径向动量调整扭矩)。

换句话说，以这种方式在中空轴中限定的轴向室执行了单向流体动力推力轴承(静压推力轴承)的功能，而径向室平台起到了流体动力轴承(静压轴承)的作用，两个接连的平台之间的尺寸足以获得期望的径向动量调整扭矩。

根据一不同实施例，涡轮机的叶片附接在毂上，所述毂内部装配并附接有中空管，在所述中空管中，调整被穿孔的轴。

根据另一不同实施例，涡轮机的叶片附接在毂上，所述毂构成中空管，在所述中空管中，调整被穿孔的轴。

为了将装置安装在管道中，优选地中空轴附接至支撑结构，所述支撑结构的至少一部分被连接至润滑流进入通道的管道穿孔，以将所述流体径向地输送到轴中，并且所述支撑结构的至少一部分被连接至润滑流排出通道的管道穿孔，以在所述流体已润滑轴承之后径向地排出所述流体。

为了与推力轴承轴向地相对保持涡轮机，根据本发明的装置可包括插入到形成在中空管中的凹槽中的轴的轴向固定夹，以与轴的轴肩一起作为止动件(stop)。

有利地，当液压回路内的压力为0.5巴时，流量约为7cc/s。

本发明还涉及上述测量装置在大体竖直的流动管道、或相对于竖直方向略微倾斜(典型地相对于竖直方向以小于30°的角度倾斜)的流动管道中的使用。

附图说明

在阅读了参照以下各图作为示意性实例给出的而非限制性地给出的对本发明的详细描述之后，将更清楚地理解其他优点和特性，图中：

图1是当安装在管道中时根据本发明的一实施例的测量装置的透视局部截面图，

图2是沿该装置的轴线XX’的分解纵向截面图，

图2A是装配好的装置的横截面图，

图2B是示出了根据本发明的液压室的详图，

图2C是根据本发明的流体轴承的轴的透视局部截面图。

具体实施方式

在图1中，已描绘出将根据本发明的装置1安装在管道中。在此规定，所示安装实际上调节待测量的流体的以下流动：大体竖直的流动、或相对于竖直方向略微倾斜的流动，典型地是相对于竖直方向以小于30°的角度倾斜的流动。

根据本发明的测量装置1同样地能测量从顶部竖直地流动到底座的流体速度，反之亦然。

在本描述的其余部分中，术语“上”和“下”参照根据图1的安装来使用：因此，上毂盖101是定位在上方的涡轮机的毂盖，而下毂盖是定位在下方的装置的毂盖。

装置1首先包括涡轮机10，所述涡轮机由三个彼此相同的叶片10.1、10.2、10.3构成，所述叶片的外径约为待研究的管道的内径。这些叶片10.1、10.2和10.3附接至毂100。在毂100的另一端处，附接有上毂盖101。

装置1还包括流体型轴承3。其中，该轴承3包括用作移动元件的中空管30，所述中空管在一侧上被封住，并与毂100相接合。

叶片3的相对于管道固定的元件31包括在中空管30中被调整的轴32。轴32包括缩小部(diminution)32A。尽管未示出，但包括用于轴32的轴向固定夹，其中，该夹插入到形成在中空管30中的凹槽中，以与轴的轴肩(shoulder)一起作为止动件。如下文中详细描述的，这使得涡轮机能够保持与静压推力轴承轴向地相对。

轴承的固定元件还包括轴套(bushing)33，所述轴套作为一组四个径向加强件(stiffener)4的紧固件，所述四个径向加强件本身紧固至环状件2。因此根据本发明的测量装置1的支撑结构由具有四个径向加强件4的环状件2构成。轴套33通过下毂盖34延伸。四个彼此相同的加强件4具有这样的外部形状，即，所述外部形状的剖面形成为，当管道2中的流体的流动是高速(达到3m/s至4m/s的值)流动时，它们不会干扰这种流动。如下文中详细描述的，加强件包括用于轴承的供给50、51和排放52、53的流体管道。

轴32从内部被几个通道穿孔，所述通道构成根据本发明试图制造的液压回路的一部分。

因此，该回路首先包括沿轴32的长度从内部穿孔并在该轴中居中的润滑流进入通道320。如图1所示，在操作中，必须这样来输送润滑流，即，从外部径向地经由两条在直径方向上相对的供给管道50、51，通过横穿两个加强件4，并经由进入窗(inlet window)3200出现(emerge)在进入通道320中。

轴32还包括轴向液压流动室321，进入通道320经由校准后的液压阻力(hydraulic resistance)324出现在所述轴向液压流动室中。轴向液压流动室321出现在轴的与管道30的底座300相对的端部处。

该回路还包括两个径向液压流动室平台(stage)322、323，进入通道320经由校准后的液压阻力324出现在每个平台中，并且所述两个径向液压流动室平台径向地出现在轴32的圆周上(图2)。每个流动平台322、323以不同于另一平台的轴向尺寸制造。在所示实施例中，每个平台322或323均具有均匀地分布在轴的圆周上的至少三个相同的室。因此，在图2A中，平台322正是包括相对于彼此以120°分布的三个相同的室3220、3221和3222。

该回路包括三个润滑流排出通道325，每个润滑流排出通道均在轴32中从内部穿孔，并以并行方式分布在润滑流进入通道320周围。

最后，该回路包括三个排出平台326，每个排出平台均同时出现在轴32的整个外围上和其中一个润滑流排出通道325上。

其中一个排出平台3261以介于流动平台322、323的两个尺寸之间的一尺寸来制造。另一排出平台3262以介于最靠近轴向流动室321的径向流动平台322、3221、3222的尺寸与轴向流动室的尺寸之间的一尺寸来制造。最后，所述平台中的第三平台3260制造在轴32的与面向中空管30的底座300的端部相对的端部处。

在根据本发明的测量装置中，校准后的液压阻力324全都具有相同的值。

排放到通道3260、3261和3262中的流体径向地经由穿孔在另外两个加强件4中的管道51和53从装置1排出。

因此，根据本发明的流体轴承30、32通过两个包括三个轴承室的平台322、323和位于端部321处的一个推力室(即经由7个液压控制阻力234供给的7个室，其中，包括室322、323的平台由排出通道3260、3261、3262分开)实现了流体动力轴承(静压轴承)和单向推力轴承(静压推力轴承)的功能。在该流体轴承中，由包括毂100(具有三个相接合的叶片10.1、10.2和10.3)以及与毂100相接合的中空管30的涡轮机10构成的移动设备的重量作为用于轴32的反推力轴承。

在操作中，即当流体在其中安装有根据本发明的测量装置的管道中流动时，用加压的润滑流从管道50、51(即从外部)经由液压回路的进入通道320供给所制造的液压回路。

该润滑流随后以厚度等于被穿孔的轴32与中空管30之间的间隙的薄膜的形式在轴32的外围与中空管30之间、以及在轴的端部321与中空管的底座300之间循环。随后经由排出通道3260、3261、3262重新获得润滑流。

根据本发明，以这种方式形成的润滑流薄膜以及中空管30的调整后的壁的表面光洁度和轴32的调整后的壁的表面光洁度使得在中空管与轴之间产生的摩擦最小，小到涡轮机10的叶片10.1、10.2、10.3能够旋转的程度，并且从而当流体以小于1cm/s的速度在管道中流动时，能够测量所述流体的速度。

为了完成所寻求的测量，将探测装置安装在流体在其中流动的管道的壁中，面向由涡轮机叶片10.1、10.2、10.3扫过的圆周。这些探测装置有利地可以为被称作“临近探测器”的探测器，其用来测量叶片的每个通道之间的最佳信号。

例如，按以下尺寸、制造公差和表面状态来制造测量装置1。轴承3和中空管30的尺寸：

轴承3

轴32

直径：20.00mm

长度：50.40mm

轴32的缩小部32A

直径：18.0mm

长度：15.0mm

进入通道320

直径：7.0mm(定心在轴线XX’上)

轴向室或推力轴承321

深度：1.0mm

直径：10.0mm

径向室平台322、323

长度：1/8圆周角，即例如展开值为7.85mm

高度：7.80mm

室平台322、323与排出平台326之间的距离：5.20mm

径向室平台322和323的中部与位于室321的远端处的端部之间的相应尺寸：14.10mm和36.30mm

液压控制阻力324

部分3240的直径：480μm+/-10μm

部分3240的长度：1mm

部分3241的直径：2.0mm

圆周排出平台326

深度：3.0mm

高度：4.0mm

每个排出平台326的中部与位于室321的远端处的端部之间的相应尺寸：3.00mm、25.20mm和47.40mm

排出通道325

相对于XX’中心错开的三条管道

各自直径：4.0mm

形成穹顶的中空管30：

内径：20.0mm

外径：22.0mm

长度：50.0mm

轴承3与中空管30之间的公差和表面光洁度

在平衡状态下，中空管30与轴32之间的轴向间隙为22μm，且半径间隙为32μm，并且组件必须加工成使得半径间隙为32μm+/-2μm。

穹顶30的底座300和轴端部32必须在2μm内保持并行。

两个圆柱体30和32的表面光洁度必须小于0.1μm。因此，所有角必须倒圆，以除去毛口，并且将清洁零件，以去除所有尺寸大于0.1μm的杂质。

涡轮机10、支撑结构2.4和毂盖101、34的尺寸、公差和表面光洁度

涡轮机10

涡轮机毂100

直径：22mm～24mm，其为穹顶30提供紧密组装

高度：40mm

叶片10.1、10.2、10.3

个数：3

直径：87.3mm

步长：100.0mm

视角：30°

厚度：1.0mm

公差：除了用于穹顶30的紧固之外，公差为0.1mm。

表面光洁度：0.1μm

支撑结构

环状件2

直径：87.3mm～89.3mm

高度：45.0mm

成形加强件4

个数：4

最大厚度：7.0mm

高度：45.0mm

流体供给管道50、52

直径：5.0mm

支撑结构的一般公差：0.1mm

表面光洁度：0.1μm

毂盖101和34：

它们的形状为半椭圆形，Rx/Ry约为1.5，适合穹顶30的直径和涡轮机10的毂100的直径

公差：+/-0.1mm

表面光洁度：0.1μm

根据上述实施例的装置可由在压力为0.5巴时流量约为7cc/s的流体(例如水)供给。

刚刚已描述的测量装置相对易于加工，并且因此对于本发明所寻求的非常低的流速(小于1cm/s)下的测量功能而言，其成本是可接受的。

因此，可获得到目前为止仍被认为是零的关于流速的知识：通过该装置，可使尺寸标注工具符合要求，并且根据本发明的测量装置可用在实验中用于核反应堆的安全性，例如，用在自然对流下的冷却的实验再现意外情况中。

一个特别有趣的实例是关于反应堆芯在处于被称作“热虹吸模式”(即其中流动发生在自然对流下)时的特性的情况。

此外，还可使用相同的装置来测量约为几m/s的相对高的流体流速：因此该测量装置适于在管道中流动的流体的广泛速度范围，而无需对其做出任何改变。换句话说，相同的装置可用于以小于1cm/s的非常低的速度流动的流体，并且可用于速度增加至高达几m/s的此相同流体。

最后，可将期望测量其流速的流体用作润滑流：为此，只需形成流动流体回路的旁路，以产生润滑回路。

Claims (14)

1.一种用于测量在管道中流动的流体的速度的装置（1)，包括：

涡轮机（10)，包括多个叶片（10.1、10.2、10.3)，所述叶片的外径约为所述管道的内径，

流体轴承型的轴承（3)，包括：作为移动元件的中空管（30)，所述中空管在一侧上被封住，并与所述叶片（10.1、10.2、10.3)相接合；作为相对于所述管道附接的元件的轴（32)，所述轴在所述中空管中被调整，并被至少一个被称作润滑流进入通道的第一通道（320)以及至少一个被称作润滑流排出通道的第二通道（325)穿孔，其中，所述第一通道（320)和所述第二通道（325)限定液压回路的一部分，其中，所述液压回路适于在从所述管道外部通过加压的润滑流供给所述润滑流进入通道（320)时，致使所述加压的润滑流以厚度等于被穿孔的轴与所述中空管之间的间隙的薄膜的形式同时在所述轴（32)的外围与所述中空管（30)之间以及所述轴的端部（321)与所述中空管（30)的底座（300)之间循环，并随后通过所述润滑流排出通道（325)恢复所述液压回路，其中，以这种方式形成的润滑流薄膜以及所述中空管的调整后的壁的表面光洁度和所述轴的调整后的壁的表面光洁度使得在所述中空管与所述轴之间产生的摩擦最小，小到所述涡轮机的所述叶片能旋转的程度，并且从而当流体以小于1cm/s的速度在所述管道中流动时，能测量所述流体的速度。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，被穿孔的轴（32、320)与所述中空管（30)之间的轴端余隙小于50μm。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，被穿孔的轴(32、320)与所述中空管（30)之间的轴端余隙约为22μm。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，被穿孔的轴(32、320)与所述中空管（30)之间的被称作关于半径的间隙的轴端余隙小于50μm。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，被穿孔的轴(32、320)与所述中空管（30)之间的被称作关于半径的间隙的轴端余隙约为32μm。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中空管的调整后的壁的表面光洁度和所述轴的调整后的壁的表面光洁度小于0.1μm。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述液压回路包括：

润滑流进入通道(320)，沿所述轴（32)的长度从轴的内部穿孔，并在所述轴中居中，

轴向液压流动室(321)，所述润滑流进入通道经由校准后的液压阻力(324)出现在所述轴向液压流动室中，并且所述轴向液压流动室出现在所述轴的与中空管（30)的底座(300)相对的端部处，

两个径向液压流动室平台(322、323)，所述润滑流进入通道(320)经由校准后的液压阻力(324)出现在每个所述径向液压流动室平台中，并且所述两个径向液压流动室平台径向地出现在所述轴的圆周上，其中，每个径向液压流动室平台以不同于另一径向液压流动室平台的轴向尺寸制造，并包括均匀地分布在所述轴的圆周上的至少三个相同的室(3220、3221、3222)，

三个润滑流排出通道(325)，每个所述润滑流排出通道均在所述轴中从内部穿孔，且并行地分布在所述润滑流进入通道(320)周围，

三个排出平台(3260、3261、3262)，每个所述排出平台均同时出现在所述轴的整个外围上和其中一个所述润滑流排出通道(325)上；其中，所述排出平台中的一个排出平台(3261)以介于所述径向液压流动室平台(322、323)的两个尺寸之间的一尺寸来制造，并且其中，所述排出平台中的另一排出平台(3262)以介于最靠近所述轴向液压流动室(321)的所述径向液压流动室平台(322)的尺寸与所述轴向液压流动室的尺寸之间的一尺寸来制造，并且其中，所述平台中的第三平台(3260)制造在所述轴（32)的与面向所述中空管的底座的端部相对的端部处，

其中，所述校准后的液压阻力(324)全都具有相同的值。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮机（10)的所述叶片(10.1、10.2、10.3)附接在毂(100)上，所述毂内部装配并附接有所述中空管（30)，在所述中空管中，调整被穿孔的轴（32)。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述涡轮机的所述叶片附接在毂上，所述毂构成中空管，在所述中空管中，调整被穿孔的轴。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述轴（32)附接至支撑结构（2、4)，所述支撑结构的至少一部分（4)被连接至所述润滑流进入通道(320)的管道(50、52)穿孔，以将所述流体径向地输送到所述轴中，并且所述支撑结构的至少一部分（4)被连接至所述润滑流排出通道(325)的管道(51、53)穿孔，以在所述流体已润滑所述轴承之后径向地排出所述流体。

11.根据权利要求1所述的装置，包括插入到形成在所述中空管中的凹槽中的轴的轴向固定夹，以与所述轴的轴肩一起作为止动件。

12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述液压回路适于承受当压力为0.5巴时约为7cc/s的流量。

13.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置在大体竖直的流动管道、或相对于竖直方向略微倾斜的流动管道中的使用。

14.根据权利要求13所述的使用，其中，所述略微倾斜的流动管道相对于竖直方向以小于30°的角度倾斜。

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