CN104122069B - 一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置 - Google Patents

Abstract

一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，包括安装在电机支撑座上的拖动电机、安装在飞轮支撑座上的飞轮转子组件以及回流孔套筒，所述飞轮转子组件通过柔性联轴器连接拖动电机，所述飞轮转子组件包括有下端设置的飞轮下端盖，所述飞轮下端盖内部开设有回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒设在回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒入水口连接有入水口法兰管，回流孔套筒出水口连接有出水口法兰管。在调整装置的飞轮下端盖内开设回流孔套筒安装槽，使回流孔套筒可快速的安装或是拆离回流孔套筒安装槽，采用嵌入式理念设计了该调整装置，在大型结构件上增加了回流孔位置调整模块化结构，以实现不对试验台整体进行拆装条件下的回流孔位置变更。

Description

一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一些屏蔽式电机用大型飞轮组件非对称水动力学轴向力快速调整结构设计。

技术背景

屏蔽泵以其无泄漏的技术优势，被广泛应用于能源、化工等众多行业。在某三代核电技术中，为了提高反应堆的安全性，屏蔽式主泵被用作堆芯冷却剂循环动力源以取代传统的轴封式主泵。屏蔽式主泵的引入，以压力边界转换的设计理念，改善轴封式主泵动密封的技术缺陷——采用完整压力边界来替代轴封泵不完整的压力边界，从而提高了堆芯安全性。在主泵的设计过程中，为了实现非能动设计理念，断电工况下对主泵惰转性能提出了新的要求，即在屏蔽泵内增加大型飞轮结构，增加转子系统转动惯量，以满足事故工况下系统惰转性能要求。

然而正是屏蔽式主泵的显著技术特征——变动密封为静密封——带来的无泄漏技术优势，给大型屏蔽电机的设计提出了新的挑战。研究表明，流体中高速回转的盘体，其Ekman pump效应随着盘体半径的增大而显著增强，而盘体上下端面流动的差异性，会使得结构上保持对称性盘体在高速回转的过程中受到非对称的水动力学作用力。文中涉及的某屏蔽电机，由于大型飞轮组件在间隙流体中高速旋转，Ekman Pump效应使得飞轮组件的上下端面沿着径向方向压力分布产生了变化，但仍然保持着水动力学的对称性。然而屏蔽电机功能部件的冷却需求对介质流体流动提出了新的设计要求，从而改变了飞轮回转过程中上下两个端面之间的流动状态，因此导致结构对称的飞轮组件在流体动力学性能上的呈现出非对称性。压力分布的非分对称性对转子系统垂直于轴线方向的截面进行积分后，给飞轮结构带来了较为显著的水动力学轴向作用力。而在屏蔽电机设计过程中，考虑到轴承承载能力的要求，对转子水动力学轴向作用力提出了控制要求。

在进行大型屏蔽电机优化设计中，为了研究大型飞轮结构在运转过程中上下端面流动状态对轴向力的影响，需要通过实验验证回流孔位置调整对飞轮下端面的流动状态的影响。考虑到Ekman pump效应引起的飞轮盘面压力分布的严重非线性，需要进行多组实验来反映压力分布。但是大型试验台的安装调试费时费力，因此提出一种快速进行回流孔位置调整的方案，具有重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，以解决现有大型屏蔽电机优化设计中，为了研究大型飞轮结构在运转过程中上下端面流动状态对轴向力的影响，需要通过实验验证回流孔位置调整对飞轮下端面的流动状态的影响，而在Ekman pump效应下引起的飞轮盘面压力分布的严重非线性，需要进行多组实验来反映压力分布，就需增加试验台的安装调试的次数，导致设计过程中费时费力的技术性问题。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，包括安装在电机支撑座上的拖动电机、安装在飞轮支撑座上的飞轮转子组件以及回流孔套筒，所述飞轮转子组件通过柔性联轴器连接拖动电机，所述飞轮转子组件包括有下端设置的飞轮下端盖，所述飞轮下端盖内部开设有回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒设在回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒入水口连接有入水口法兰管，回流孔套筒出水口连接有出水口法兰管。

优选地，所述飞轮转子组件还包括飞轮、设有飞轮连接键的飞轮轴，所述飞轮通过飞轮连接键固定在飞轮轴上，所述飞轮转子组件通过径向滚柱轴承4连接电机支撑座3，所述飞轮转子组件通过下径向轴承连接飞轮支撑座。

优选地，所述回流孔套筒通过回流孔压盖固定在回流孔套筒安装槽内，所述回流孔压盖依次通过回流孔套筒压盖弹簧以及回流孔套筒紧固螺栓固定。

优选地，所述飞轮转子组件上端设有飞轮上端盖，所述飞轮上端盖连接电机支撑座连接盘，所述飞轮上端盖与电机支撑座连接盘连接处设有机械密封件。

优选地，所述飞轮转子组件外侧设有飞轮外壳，所述飞轮外壳通过飞轮下端盖连接飞轮支撑座。

优选地，所述飞轮通过飞轮紧固螺母固定在飞轮轴上。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，优化了该调整装置的结构，在调整装置的飞轮下端盖内开设回流孔套筒安装槽，使回流孔套筒可快速的安装或是拆离回流孔套筒安装槽，即本发明采用嵌入式理念设计了该调整装置，在大型结构件上增加了回流孔位置调整模块化结构，以实现不对试验台整体进行拆装条件下的回流孔位置变更；

2、本发明的结构设计在不对整体调整装置进行重新拆装的情况下，通过更换带有不同回流孔的回流孔套筒，实现对飞轮水动力学轴向作用力的快速调整，从而简化了实验调整方案，节省了实验成本，提高了实验测试效率；

3、本发明采用在飞轮的下端面不同半径上开回流孔，来改变飞轮上下两个面之间的流动状态的差异，从而达到控制水动力学轴向力的效果。

附图说明

图1为本发明的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置的结构示意图；

图2为本发明的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置的局部放大图；

图3为本发明的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置的局部放大图；

图4为本发明的不同类型回流孔套筒的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明。

请参阅图1-2，一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，包括安装在电机支撑座上3的拖动电机1、安装在飞轮支撑座15上的飞轮转子组件以及回流孔套筒9，所述飞轮转子组件通过柔性联轴器2连接拖动电机1，拖动电机1运转时通过柔性联轴器2带动飞轮转子组件旋转，所述飞轮转子组件包括有下端设置的飞轮下端盖13，所述飞轮下端盖13内部开设有回流孔套筒安装槽22，所述回流孔套筒9设在回流孔套筒安装槽22，所述回流孔套筒9入水口连接有入水口法兰管17，回流孔套筒9出水口连接有出水口法兰管18；所述飞轮转子组件还包括飞轮8、设有飞轮连接键19的飞轮轴16，所述飞轮8通过飞轮连接键19固定在飞轮轴16上，所述飞轮转子组件通过径向滚柱轴承4连接电机支撑座3，所述飞轮转子组件通过下径向轴承14连接飞轮支撑座15；所述回流孔套筒9通过回流孔压盖12固定在回流孔套筒安装槽22内，所述回流孔压盖12依次通过回流孔套筒压盖弹簧11以及回流孔套筒紧固螺栓10固定；所述飞轮转子组件上端设有飞轮上端盖20，所述飞轮上端盖20连接电机支撑座连接盘6，所述飞轮上端盖20与电机支撑座连接盘6连接处设有机械密封件5，所述机械密封件5结合飞轮支撑座15形成封闭间隙流道；所述飞轮转子组件外侧设有飞轮外壳7，所述飞轮外壳7通过飞轮下端盖13连接飞轮支撑座15，所述飞轮外壳7与飞轮下端盖13通过螺栓与飞轮支撑座15连接；所述飞轮8通过飞轮紧固螺母21固定在飞轮轴16上。

实施例

飞轮8通过飞轮连接键19固定在飞轮轴16上，通过飞轮紧固螺母21连接，形成飞轮转子组件。飞轮转子组件通过径向滚柱轴承4以及下径向轴承14分别与电机支撑座3以及飞轮支撑座15连接。飞轮外壳7与飞轮下端盖13通过螺栓与飞轮支撑座连接，飞轮外壳7、飞轮上端盖20以及电机支撑座连接盘6与电机支撑座3连接，飞轮轴16上端采用机械密封5进行密封，结合飞轮支撑座15的使用，形成封闭的间隙流道。拖动电机1与电机支撑座3连接，通过柔性联轴器2与飞轮轴16连接，从而拖动飞轮组件运转。回流孔套筒9安装在飞轮下端盖13内，通过回流孔压盖12、回流孔套筒压盖弹簧11以及回流孔套筒紧固螺栓10进行固定。开始运转之前，在飞轮组件的间隙流道内部充满工作流体。飞轮组件在运转过程中，工作流体从入水口法兰管17进入，经过飞轮的间隙流道后从出水口法兰管18流出。

首先将入水口法兰管17与水源连接，将出水口法兰管18与排水管道连接。选择图3中所显示的一种回流孔套筒9安装于飞轮下端盖的径向流道内，并采用回流孔压盖12、回流孔套筒压盖弹簧11以及回流孔套筒紧固螺栓10进行紧固安装。开始实验之前，打开水源开关，在飞轮转子组件与回流孔套筒9形成的流道内充满工作流体。然后采用拖动电机1对飞轮组件进行拖动，结合必要的测试手段来分析运转情况下的飞轮转子组件非对称水动力学轴向力。分析完成后，关闭拖动电机，拧下回流孔套筒紧固螺栓10，取出回流孔套筒压盖弹簧11以及回流孔压盖12，将回流孔套筒9从飞轮下端盖13上的径向轴孔中取出，更换如图3所示的另一型号的回流孔套筒，完整安装后，打开拖动电机，对不同型号的回流孔套筒进行实验测试。重复相同的操作过程，结合必要的数据分析，可得到位置回流孔套筒9上不同位置的回流孔对飞轮组件水动力学轴向力的影响规律。

请参照附图3，非对称水动力学轴向力产生的原因：

飞轮转子组件在充满流体的间隙流道内部运转，在Ekman pump效应下，飞轮的上下端面的流体会在离心力作用下沿着径向方向向外流动，从而在飞轮上下端面产生中心压力低，外缘压力高的压力分布特征，在飞轮上下端面无附加流动的干扰下，由于飞轮结构的对称性，其在转动过程中产生的水动力学轴向力为对称分布，可以相互抵消。在实际应用中，工作流体从入水口法兰管17进入飞轮支撑座15的腔体后，一部分通过下径向轴承14背部的流道流入回流孔套筒9，最终通过飞轮外壳7上的集水环汇集后，从出水口法兰管18流出；另一部分流体通过下径向轴承14轴瓦之间的流道流入飞轮8下端面流道，通过飞轮下端盖13上的返回孔流入回流孔套筒9，最终通过飞轮外壳7上的集水环汇集后，从出水口法兰管18流出。工作流体的非对称流动，改变了飞轮8上下端面的水动力学对称性，从而使得飞轮组件在运转过程中产生了轴向水动力学作用力。

请参照附图4，回流孔位置快速调整方案：

在进行水动力学轴向力调整的过程中，在如附图2所示回流孔套筒安装槽22的位置，通过更换带有不同回流孔位置的回流孔套筒9，可快速实现实验测试过程中的回流孔位置调整。

本发明的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，优化了该调整装置的结构，在调整装置的飞轮下端盖内开设回流孔套筒安装槽，使回流孔套筒可快速的安装或是拆离回流孔套筒安装槽，即本发明采用嵌入式理念设计了该调整装置，在大型结构件上增加了回流孔位置调整模块化结构，以实现不对试验台整体进行拆装条件下的回流孔位置变更；本发明的结构设计在不对整体调整装置进行重新拆装的情况下，通过更换带有不同回流孔的回流孔套筒，实现对飞轮水动力学轴向作用力的快速调整，从而简化了实验调整方案，节省了实验成本，提高了实验测试效率；本发明采用在飞轮的下端面不同半径上开回流孔，来改变飞轮上下两个面之间的流动状态的差异，从而达到控制水动力学轴向力的效果。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，包括安装在电机支撑座上的拖动电机、安装在飞轮支撑座上的飞轮转子组件以及回流孔套筒，所述飞轮转子组件通过柔性联轴器连接拖动电机，所述飞轮转子组件包括有下端设置的飞轮下端盖，其特征在于，所述飞轮下端盖内部开设有回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒设在回流孔套筒安装槽，所述回流孔套筒入水口连接有入水口法兰管，回流孔套筒出水口连接有出水口法兰管；

所述飞轮转子组件包括飞轮轴和设置在飞轮轴的飞轮，所述飞轮转子组件的上端设有飞轮上端盖，所述飞轮转子组件的外侧设置有外壳，所述外壳的上下端分别连接所述飞轮上端盖和飞轮下端盖组成容置飞轮的空间；所述飞轮下端面上不同半径上设置有连通所述飞轮下端间隙与回流孔套筒安装槽的回流孔。

2.如权利要求1所述的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，其特征在于，所述飞轮轴设有飞轮连接键，所述飞轮通过飞轮连接键固定在飞轮轴上，所述飞轮转子组件通过径向滚柱轴承（4）连接电机支撑座（3），所述飞轮转子组件通过下径向轴承连接飞轮支撑座。

3.如权利要求2所述的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，其特征在于，所述回流孔套筒通过回流孔压盖固定在回流孔套筒安装槽内，所述回流孔压盖依次通过回流孔套筒压盖弹簧以及回流孔套筒紧固螺栓固定。

4.如权利要求3所述的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，其特征在于，所述飞轮上端盖连接电机支撑座连接盘，所述飞轮上端盖与电机支撑座连接盘连接处设有机械密封件。

5.如权利要求4所述的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，其特征在于，所述外壳通过飞轮下端盖连接飞轮支撑座。

6.如权利要求2所述的飞轮间隙流体非对称水动力学轴向力快速调整装置，其特征在于，所述飞轮通过飞轮紧固螺母固定在飞轮轴上。