CN103398941B - 一种钟罩式密封液态重金属旋转装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，灵活地运用了钟罩原理代替常规的易磨损的机械密封和填料密封，以及高温消磁的电极磁转子驱动的旋转方式，可实现轴封系统无磨损条件下的长时间运行，避免了设备在长期的高温环境下运行后因轴封磨损后带来的空气进入污染实验区的现象，也避免了定期更换轴封系统的现象。该装置由熔盐融化箱、集液箱、变频电机、钟罩、支撑、轴样品试实验段等组成，结构简单，易于操作。本发明采用独特的钟罩式轴封结构，加上转速可调节的变频电机，结合辅助加热保温系统，并配以可更换的样品实验段，使得该装置可开展结构材料在不同速度场、温度场中的腐蚀机理研究。该装置能够广泛的应用于工业设备腐蚀考验和基础科研项目领域，具有重要的科学研究价值与工程应用价值。

Description

一种钟罩式密封液态重金属旋转装置

技术领域

本发明涉及了一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，通过营造高速度场和温度场，为结构材料在液态金属中的腐蚀行为特性研究提供实验平台，为高温高速流体场中材料的应用、选材、设计及结构优化提供技术支持和实验依据。

背景技术

铅基合金因其特殊的物理化学性质成为第四代堆型液态重金属反应堆的散裂靶靶材和首选冷却剂。但是铅基合金与结构材料之间相容性问题是ADS反应堆商用化之前必须解决的关键问题。虽然国际上已开展了诸多研究，但流速均在低于2m/s的条件下进行。未来商用化铅基合金反应堆冷却剂的流动主要借助核主泵驱动，其叶轮材料的抗腐蚀与冲蚀性能直接决定了堆的稳定运行和安全；除核主泵过流部件外，堆内部分构件也同样会处于较高速度场和较高温度场的极端环境下，由此带来的腐蚀和侵蚀作用将有可能直接破坏堆内结构并带来安全隐患。此外，铅基回路技术中强迫循环实验回路所使用的驱动机械泵，其过流部件所经受的流体冲击速度可达10m/s甚至更高,腐蚀现象尤为严重，将直接影响机械泵整体性能。

因此，通过开展结构材料在高温高流速场下的腐蚀实验研究，不仅可以对反应堆堆结构材料、核主泵结构材料、机械泵过流部件材料等进行选择；还可对这些结构材料的成分进行优化设计，熔炼制备抗腐蚀性能更好的材料；同时还可以利用流体力学与水力设计方法对这些过流部件的结构进行设计，优化构型以减小高速流场的冲刷腐蚀作用。

现有液态重金属旋转装置主要是电磁驱动式，利用异性磁极相互作用的原理，通过一端磁极转子的转动带动密封在容器内另一端磁极转子的转动，虽然该类装置的优点是密封性较高，但由于实验状态下该装置处于高温状态，从而会影响磁极转子的磁场强度性能，出现高温消磁现象，进而影响旋转的转速，不能开展超高温条件下的旋转实验研究，所以该类装置的无法满足高速与超高温实验需求。此外，常规机械密封和填料密封不仅存在磨损问题，还需要外加气体保护与监控措施，用以防止外界空气进入实验装置，该类装置结构复杂，成本较高；且密封系统也会处在高温状态下，也将使得密封寿命大大降低。

因此，本发明通过采用钟罩式密封不仅能够满足液态重金属实验装置密封需求，同时能够在变频电机的驱动下开展超高速实验，也因不存在高温消磁效应而能开展超高温实验研究，可大幅提高旋转装置的运行速度与工作温度，有利于开展更广泛的科学研究。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有电磁转子驱动技术的转速较低、高温消磁不足，同时避免常规机械密封易磨损和更换的缺点，提供一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，具有可靠的密封性，可开展超高温800℃和高流速10-20m/s条件下的实验研究。

本发明的技术解决方案：一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，其特征在于包括：变频电机1、熔盐融化罐2、导流管3、阀门4、插入式热电偶5、液位计6、液位罐7、连通管8、下钟罩外壳9、集液箱10、联轴器11、滚轴系统12、扇叶法兰13、波纹管14、电机支架15、导气管16、真空阀17、支撑杆18、驱动轴19、轴样品实验段20、下钟罩内壳21、上钟罩23、下钟罩内壳中空区24和大法兰25；所述集液箱10位于整个装置的下部，电机支架15通过法兰与集液箱10相连，电机支架15上端是变频电机1，变频电机1固定在电机支架15上；滚轴系统12用于支撑和固定驱动轴19，联轴器11下端与驱动轴19相连，联轴器11上端与变频电机1相连；轴样品实验段20位于驱动轴19的最下端；下钟罩外壳9和下钟罩内壳21位于电机支架15下面的大法兰25上；扇叶法兰13固定在驱动轴19上，波纹管14通过法兰分别与扇叶法兰13和下钟罩外壳9上的法兰连接起来；支撑杆18连接在波纹管14下端法兰上，上钟罩23与驱动轴19连在一起，上钟罩23位于下钟罩内壳21和下钟罩外壳9之间，导气管16焊接在大法兰25上，真空阀17装配在导气管16上；液位罐7固定在大法兰25上，并通过连通管8与下钟罩外壳9的相连；导流管3、插入式热电偶5和液位计6连接在液位罐7上，熔盐融化罐2的位置高于液位罐7，阀门4装配在导流管3上，熔盐熔化罐2和液位罐7之间可用阀门4进行隔断。

所述扇叶法兰13与驱动轴19的连接采用密封焊接，在整个设备抽真空排出空气阶段，扇叶法兰13与波纹管14上端法兰连接起到密封作用，在变频电机1运行时则与波纹管法兰分开随着驱动轴19同步转动，同时其上端的扇叶可起到风冷效果，阻止热量沿驱动轴1)传递给变频电机1。

所述熔盐熔化罐2中装载的熔盐融化后流入上钟罩23、下钟罩内壳21和下钟罩外壳9之间的空间，用以隔绝集液箱10与外部空气，通过液位罐7中的液位计6检测液位是否达到液位深度22，插入式热电偶5检测熔盐温度，实时反馈液态熔盐的物理状态，确保密封功能，防止空气进入氧化液态重金属。

所述轴样品实验段20具有可更换性，便于拆卸和安装，整个设备装置便于组装和拆卸，且驱动轴19转速可通过调节变频电机1的进行控制，操作简单，易于满足实验对液态重金属介质不同流速场条件的需求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的整体结构设计简单，安全性好，解决了装置的密封连接、驱动轴承散热等问题，本发明易于实现和操作，可普遍用于液态重金属材料腐蚀等实验研究。

(2)本发明直接采用变频机械泵驱动模式，可实现转速在较高范围内的连续可调，保证旋转实验段能够在液态重金属介质中获得不同速度的流速场，尤其是较高的流速场。

(3)本发明采用钟罩式结构对驱动轴承进行密封，该方法区别于常规的机械密封或填料密封，无须配备冷却油及润滑系统或者气体保护系统，无须定期更换，结构简单，密封可靠，且密封系统本身几乎不存在磨损现象，大大降低了成本。

(4)本发明避免了电磁驱动式装置存在的高温消磁带来的旋转驱动能力下降的现象，可开展超高温实验研究，同时还可兼顾了高转速的流场，该功能是现有旋转装置不能实现的。

(5)本发明驱动轴密封方式采用钟罩式结构进行密封，利用低温凝固、高温熔化、化学稳定性高且不挥发的熔盐作为密封介质填充在上下钟罩之间的空间，以起到隔绝空气的作用，该密封方式的巧妙应用拓展和提高了旋转装置整体性能。

附图说明

图1为本发明提供的一种钟罩式密封液态重金属旋转装置示意图；

图2为本发明提供的钟罩系统结构示意图；

图3为本发明提供的整体外观示意图；

图中：变频电机1，熔盐融化罐2，导流管3，阀门4，插入式热电偶5，液位计6，液位罐7，连通管8，下钟罩外壳9，集液箱10，联轴器11，滚轴系统12，扇叶法兰13，波纹管14，电机支架15，导气管16，真空阀17，支撑杆18，驱动轴19，样品实验段20，下钟罩内壳21，液位深度22，上钟罩23，下钟罩内壳中空区24，大法兰25。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明液态重金属机械泵性能研究装置主要包含：集液箱10位于整个装置的下部，中部是电机支架15用于支撑装置上部的变频电机1，驱动轴19通过联轴器11与变频电机1连接起来，从联轴器11往下，紧接着是滚轴系统12用于固定驱动轴19，下面是焊接在驱动轴上的扇叶法兰13，扇叶法兰13上端面设计有扇叶，当扇叶法兰13随驱动轴19旋转时可以产生空气流，对该法兰以上的驱动轴19承起到散热降温作用，阻止热量继续向上传递损害变频电机1。波纹管14上端可与扇叶法兰对接；波纹管14下端可与下钟罩外壳9上端对接。支撑杆18固定在波纹管14下端法兰上到固定作用。上钟罩23与驱动轴19固定接在一起，位于下钟罩外壳9和下钟罩内壳21之间。连通管8用于连接下钟罩与液位罐7，液位计6用来监测液位深度22，插入式热电偶5用来实时监测密封介质的温度数值。熔盐融化罐2通过导流管3与液位罐7连接，两者之间有一个阀门3；导气管16及配套真空阀17固定在集液箱10上端的法兰上。驱动轴19的下端是样品实验段20，可进行更换和二次设计。熔盐融化罐2、液位罐7及下钟罩外壳9表面均配有加热保温措施，下钟罩内壳21中的下钟罩内壳中区24也填充有辅助加热保温部件，设备运行时需要维持电加热与温度保护，以防止熔盐密封液低温凝固；因为工作介质是高温液态重金属，所以集液箱10外表面也同样配置有辅助加热与保温系统。另外，电机支架15上端与变频电机1之间，电机支架15下端与集液箱10上端的大法兰25之间用热阻材料隔开，用以阻止集液箱10的热量通过支架传递给电机。

本发明的工作过程如下：首先将实验段20固定在驱动轴19上，集液箱10中加入重金属锭块；关闭阀门4，所有法兰密封起来后启动辅助加热与保温功能，加热到实验需求的温度值后进行保温，维持温度的恒定；打开真空阀17，通过导气管16抽真空，达到要求的真空度后，再经过导管16通入保护气氩气或者氮气后关闭真空阀17，压力与外界压力保持一致即可；熔盐熔化罐2中放入足量熔盐，加热致融化后打开阀门4，将密封用的熔盐注入下钟罩内壳21和下钟罩外壳9之间的空间，通过液位箱7中的液位计6检测液位，当液位达到指定液位深度22时，关闭阀门4；打开阀门17，通过导气管16连接气体补偿与稳压系统来保证内外气压平衡；将波纹管上端法兰与扇叶法兰13分开，往下放置，并用支撑杆18将其固定起来；打开变频电机1的电源，通过变频控器对变频电机1进行调节控制即可获得实验研究所需任意转速下的高速流场；同时，通过调节集液箱10辅助加热系统的加热功率即可获得实验所需温度场，将两者结合在一起就能够得到范围更加广泛的高速高温场，开展一系列结构材料的腐蚀特性研究。

本发明说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，其特征在于所述装置具有可靠的密封性，能开展超高温800℃和高流速10-20m/s条件下的实验研究，所述装置包括：变频电机(1)、熔盐融化罐(2)、导流管(3)、阀门(4)、插入式热电偶(5)、液位计(6)、液位罐(7)、连通管(8)、下钟罩外壳(9)、集液箱(10)、联轴器(11)、滚轴系统(12)、扇叶法兰(13)、波纹管(14)、电机支架(15)、导气管(16)、真空阀(17)、支撑杆(18)、驱动轴(19)、轴样品实验段(20)、下钟罩内壳(21)、上钟罩(23)、下钟罩内壳中空区(24)和大法兰(25)；所述集液箱(10)位于整个装置的下部，电机支架(15)通过法兰与集液箱(10)相连，电机支架(15)上端是变频电机(1)，变频电机(1)固定在电机支架(15)上；滚轴系统(12)用于支撑和固定驱动轴(19)，联轴器(11)下端与驱动轴(19)相连，联轴器(11)上端与变频电机(1)相连；轴样品实验段(20)位于驱动轴(19)的最下端；下钟罩外壳(9)和下钟罩内壳(21)位于电机支架(15)下面的大法兰(25)上；扇叶法兰(13)固定在驱动轴(19)上，波纹管(14)通过法兰分别与扇叶法兰(13)和下钟罩外壳(9)上的法兰连接起来；支撑杆(18)连接在波纹管(14)下端法兰上，上钟罩(23)与驱动轴(19)连在一起，上钟罩(23)位于下钟罩内壳(21)和下钟罩外壳(9)之间，导气管(16)焊接在大法兰(25)上，真空阀(17)装配在导气管(16)上；液位罐(7)固定在大法兰(25)上，并通过连通管(8)与下钟罩外壳(9)的相连；导流管(3)、插入式热电偶(5)和液位计(6)连接在液位罐(7)上，熔盐融化罐(2)的位置高于液位罐(7)，阀门(4)装配在导流管(3)上，熔盐熔化罐(2)和液位罐(7)之间可用阀门(4)进行隔断。

2.根据权利要求1所述的一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，其特征在于：所述扇叶法兰(13)与驱动轴(19)的连接采用密封焊接，在整个设备最初的抽真空排气阶段，扇叶法兰(13)与波纹管(14)上端法兰连接起到密封作用，在变频电机(1)运行时则与波纹管法兰分开随着驱动轴(19)同步转动，同时其上端的扇叶可起到风冷效果，阻止热量沿驱动轴(19)传递给变频电机(1)。

3.根据权利要求1所述的一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，其特征在于：所述熔盐熔化罐(2)中装载的熔盐融化后流入上钟罩(23)、下钟罩内壳(21)和下钟罩外壳(9)之间的空间，用以隔绝集液箱(10)与外部空气，通过液位罐(7)中的液位计(6)检测液位是否达到液位深度(22)，插入式热电偶(5)检测熔盐温度，实时反馈液态熔盐的物理状态，确保密封功能，防止空气进入氧化液态重金属。

4.根据权利要求1所述的一种钟罩式密封液态重金属旋转装置，其特征在于：所述轴样品实验段(20)具有可更换性，便于拆卸和安装，整个设备装置便于组装和拆卸，且驱动轴(19)转速可通过调节变频电机(1)的进行控制，操作简单，易于满足实验对液态重金属介质不同流速场条件的需求。