CN105604985B - 屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法 - Google Patents

屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，包括建立所述屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型，将所述上冷却回路和下冷却回路上的装置设置为节点；获取各节点内冷却液的质量流量、等效热影响功率、冷却液的比热；确定相应节点的温度变化；获取各汇流点的两个支路汇流前的流量，及汇流后的流量，根据能量守恒，确定汇流点的温度变化关系；选取回路中的一点作为温度起点，根据所述拓扑结构将温度变化串接起来，以获得所述等效物理模型的温度分布。本发明能够获得屏蔽式核主泵冷却系统的整体温度分布，便于系统分析。

Description

屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法
技术领域
本发明涉及流体机械领域，特别涉及的是屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法。
背景技术
屏蔽泵是一种无动密封泵，泵和驱动电机都被密封在一个被泵送介质充满的压力容器内，此压力容器为静密封，通过驱动转子而由一个电线绕组来提供旋转磁场。由于屏蔽泵的这种结构取消了传统离心泵具有的旋转轴密封装置，故能做到完全无泄漏。
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。在第三代核电技术中，为了提高反应堆的安全性，大型屏蔽式核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。屏蔽式核主泵内部流体冷却回路热源包含了高速流体内摩擦生热，泵头一回路高温热传导，轴承发热以及电机绕组电磁涡流生热。
冷却回路流经的轴承、线圈等部件对温度要求严格，关键部件耐受热冲击的性能也需要冷却液来保障，正是由于内部热源多、损耗大、关键件温度要求高的严格条件，屏蔽式核主泵内部流体冷却系统的温度预测和计算在主泵的设计中尤其重要。且目前大型屏蔽式核主泵的温度分析仅局限于单一的功能区域，比如轴承区、飞轮区等，没有系统的温度检测分析。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，能够获得屏蔽式核主泵冷却系统的整体温度分布，便于系统分析。
为解决上述问题，本发明提出一种屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，所述屏蔽式核主泵冷却系统包括用于冷却液循环流动的上冷却回路和下冷却回路，所述上冷却回路和下冷却回路的总汇流点和总分流点之间为共用支路，所述共用支路上设有辅助叶轮；
所述上冷却回路上设有屏蔽套、上径向轴承和换热器，其中，所述总分流点的一部分冷却液流入所述屏蔽套，在所述屏蔽套之后为子分流点，子分流点的一部分冷却液流入上径向轴承的内部流道中，子分流点的另一部分冷却液流入上径向轴承的外部流道中，所述内部流道和外部流道的冷却液在子汇流点汇合，流入换热器进行换热，之后流回所述总汇流点；
所述下冷却回路上设有下径向轴承，所述总分流点的另一部分冷却液流入所述下径向轴承，下径向轴承的冷却液流回所述总汇流点；
该方法包括以下步骤：
S1：建立所述屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型，将所述上冷却回路和下冷却回路上的装置设置为节点，节点和回路的连接构建为一拓扑结构；
S2：获取各节点内冷却液的质量流量Qm、等效热影响功率P、冷却液的比热C；根据CQmΔT＝P确定相应节点的温度变化ΔT，或者，通过数值仿真的方法获得相应节点的温度变化ΔT；
S3：获取各汇流点的两个支路汇流前的流量Q1和Q2，及汇流后的流量Q，根据能量守恒，确定汇流点的温度变化关系CQ1(T-T1)＝CQ2(T2-T1)，其中，T1和T2为两个支路汇流前的温度，T为汇流后的温度；
S4：选取回路中的一点作为温度起点，根据所述拓扑结构将温度变化串接起来，以获得所述等效物理模型的温度分布。
根据本发明的一个实施例，所述屏蔽套包括同轴设置的内套和外套，所述屏蔽套内设置有定子和转子，所述转子的两端分别通过转轴可转动连接所述上径向轴承和所述下径向轴承；其中，所述定子设置在所述内套和外套之间，所述转子设置在所述内套内，或者，所述转子设置在所述内套和外套之间，所述定子设置在所述内套内，冷却液流经屏蔽套电机绕组带走其电磁涡流生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
根据本发明的一个实施例，所述上冷却回路上还设有用于增加连接所述上径向轴承的转轴转动惯量的上飞轮，所述上径向轴承的内部流道的冷却液流过所述上飞轮的下端面，之后流至所述子汇流点；冷却液流经所述上飞轮的下端面带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
根据本发明的一个实施例，所述下冷却回路上还设有用于增加连接所述下径向轴承的转轴转动惯量的下飞轮，所述下径向轴承的冷却液进入所述下飞轮，通过下飞轮的竖向间隙流出，之后流回至所述总汇流点；冷却液流经所述下飞轮带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
根据本发明的一个实施例，所述上冷却回路上还设有集水环，设置在所述子汇流点的出口部位，用以加强冷却液的冷却作用；冷却液流经所述集水环带走集水环所环装置的生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
根据本发明的一个实施例，还包括步骤S5：测量所述温度起点的温度，根据等效物理模型的温度分布确定所述屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布。
根据本发明的一个实施例，所述等效热影响功率P为每个节点装置各自的生热功率与散热功率之差。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：屏蔽式核主泵冷却系统中，通过上冷却回路和下冷却回路分合循环流动的冷却液，通过上径向轴承进一步分合循环流动的冷却液，在拓扑结构上呈现多元件、多支路、串并联的特征，满足同一流道内不同功能区域的差异化温度要求，根据屏蔽电机内冷液体流经部件的发热量以及内冷液体流经区域的流道特征，建立等效物理模型，并对等效物理模型的进行温度分布的测定，将内冷流道分三种类型进行温度计算：有热源的单一支路流动、温度不同的支路汇合流动、分叉流动，根据回路进行多热源的温度等效计算，根据外部换热器的输出温度或回路中一点的温度，便可以确定屏蔽式核主泵电机的内部冷却系统温度在各点的分布，从而系统地反应核主泵内冷却系统的整体温度分布及其关联特性。
附图说明
图1是本发明实施例的屏蔽式核主泵冷却系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的温度分布测定方法的流程示意图；
图3是本发明实施例的屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型结构框图；
图4是本发明实施例的下冷却回路的温度分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参看图1，本实施例的屏蔽式核主泵冷却系统，包括用于冷却液循环流动的上冷却回路1和下冷却回路2，上冷却回路1和下冷却回路2的总汇流点和总分流点之间为共用支路，共用支路上设有辅助叶轮3，辅助叶轮3用来提供离心力带动冷却液转动从而推动冷却液流动，也就是提供冷却液循环流动的动力，辅助叶轮3设置在共用支路上，可以同时提供上冷却回路1和下冷却回路2的流体循环动力。
上冷却回路1上设有屏蔽套11、上径向轴承12和换热器14。屏蔽套11内用于设置核主泵的转子和定子，转子和定子可以是绕组和磁芯，通过转子和定子的相对转动产生电磁涡流，以提供核主泵的动力。换热器14用于为冷却液换热，以对冷却液制冷。本发明的冷却系统，换热器14置于核主泵的压力容器之外，其余装置均设置在核主泵的压力容器之内。
可以参看图1和3，在上冷却回路1中，总分流点A2将共用支路中的冷却液进行分流，总分流点A2的一部分冷却液流入屏蔽套11，冷却液在屏蔽套11的内外套之间的缝隙中流过，在屏蔽套11之后为子分流点B1，子分流点B1将屏蔽套11内出来的冷却液进行分流，子分流点B1的一部分冷却液流入上径向轴承12的内部流道121中，子分流点B1的另一部分冷却液流入上径向轴承12的外部流道122中，上径向轴承12的内部流道121和外部流道122均可以有多个，内部流道121例如可以是四个，外部流道122例如可以是八个，内部流道121和外部流道122的冷却液在子汇流点B2汇合，流入换热器14进行换热，之后流回总汇流点A1。在图1中，内部流道121的冷却液通过回流孔16流出，与外部流道122的冷却液汇合。
在一个实施例中，上冷却回路1上还设有上飞轮13，用于增加连接上径向轴承12的转轴转动惯量，上径向轴承12的内部流道121的冷却液流过上飞轮下端面131，之后流至子汇流点B2，上飞轮13仅在下端面处流经冷却液，上飞轮上端为死水区132，在死水区中冷却液一般不发生对流。冷却液流经所述上飞轮的下端面带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
在一个实施例中，上冷却回路1上还设有集水环15，设置在子汇流点B2的出口部位，具体是设置在上径向轴承12的冷却液出口处，用以加强冷却液的冷却作用，集水环15的形状具体可以是槽型的。冷却液流经所述集水环带走集水环所环装置的生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
下冷却回路2上设有下径向轴承21，在下冷却回路2中，总分流点A2的另一部分冷却液流入下径向轴承21，下径向轴承21的冷却液流回总汇流点A1。
在一个实施例中，下冷却回路2上还设有下飞轮22，用于增加连接下径向轴承21的转轴转动惯量的下飞轮22，下径向轴承21的冷却液进入下飞轮22，通过下飞轮22的竖向间隙流出，之后流回至总汇流点A1。冷却液流经所述下飞轮带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
具体的，屏蔽套11可以包括同轴设置的内套和外套，屏蔽套11内设置有定子和转子，转子的两端分别通过转轴可转动连接上径向轴承13和下径向轴承21；其中，定子设置在内套和外套之间，转子设置在内套内，或者，转子设置在内套和外套之间，定子设置在内套内。冷却液流经屏蔽套电机绕组带走其电磁涡流生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
参看图2，本实施例的温度分布测定方法，用来测定前述屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布，该方法包括以下步骤：
S1：建立所述屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型，将所述上冷却回路和下冷却回路上的装置设置为节点，节点和回路的连接构建为一拓扑结构；
S2：获取各节点内冷却液的质量流量Qm、等效热影响功率P、冷却液的比热C；根据CQmΔT＝P确定相应节点的温度变化ΔT，或者，通过数值仿真的方法获得相应节点的温度变化ΔT；
S3：获取各汇流点的两个支路汇流前的流量Q1和Q2，及汇流后的流量Q，根据能量守恒，确定汇流点的温度变化关系CQ1(T-T1)＝CQ2(T2-T1)，其中，T1和T2为两个支路汇流前的温度，T为汇流后的温度；
S4：选取回路中的一点作为温度起点，根据所述拓扑结构将温度变化串接起来，以获得所述等效物理模型的温度分布。
下面结合系统实施例对本发明的方法进行详细的描述。
在步骤S1中，根据屏蔽式核主泵冷却系统的结构，建立等效物理模型，选取较为关键的温度影响区域建立拓扑结构，在本实施例中，关键温度影响区域可以包括：损耗区、热源区、混流区，其中，损耗区包括上下飞轮的流体内摩擦损耗、轴承损耗、辅助叶轮损耗、屏蔽套间隙流内摩擦损耗，热源区包括泵头向下导热、电机绕组电磁涡流生热，混流区包括回流孔、集水环(子汇流点)和总汇流点。将回路上的各装置作为节点，冷却液流通的管路作为连接线，形成等效物理模型的拓扑结构。
参看图3，在拓扑结构中，关键温度影响区域可以用方框表示，代表损耗区、热源区、混流区；辅助叶轮用圆框表示，代表内冷却液流动的动力源；箭头代表冷却液流动方向，方框和圆框和带箭头线段按照拓扑结构连接，构成屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型，各种标记的形状并不作为限制。
在步骤S2中，获取每个关键温度影响区域的相关参数，计算关键温度影响区域的温度变化数据。
对简单区域而言，冷却液过流整个节点，所需要的关键温度影响区域的相关参数包括：节点的质量流量Qm、节点的等效热影响功率P、冷却液的比热C。可以根据CQmΔT＝P确定相应节点的温度变化ΔT。
对复杂区域而言，冷却液存在流动盲区和断点，所需要的关键温度影响区域的相关参数包含物理边界条件，运动情况，散热途径等。可以采用数值仿真的方法得到ΔT。
等效热影响功率P为每个节点装置各自的生热功率与散热功率之差。等效热影响功率的计算可以采用经验公式或者直接采用商业软件数值仿真计算。生热功率的计算方式包括：对于简单的压力流：功率等于压差与流量的积；对于剪切流动，也就是存在转动部件，如飞轮和屏蔽套区域，利用牛顿内摩擦定律，功率等于剪切力乘以剪切速度，以此推导；对于轴承，本发明采用滑动轴承，生热来源是液膜内摩擦，基本原理也是以牛顿内摩擦定律为基础进行计算；屏蔽套区域还有电磁涡流生热，生热功率可参考电学知识，一般对于复杂绕组选用数值仿真计算。散热功率的计算方式包括：通过泵体钢壳导热以及流体对流换热带走热量的功率，在此忽略了辐射传热，基本原理是傅立叶导热定律和牛顿冷却公式，工程上常采用数值仿真解决。
在步骤S3中，分两种情况计算温度在回路上的变化：对于流道分叉，即一个流量为Q的流道，在某一点分为两个支路，分叉点之前温度为T，分叉点之后的两个支路流量分别为Q1和Q2，分叉点之后的温度分别为T1和T2，由于分叉点不影响温度的升降，因而T2＝T1＝T，适用于总分流点A2和子分流点B1的温度获得；对于流道合并，即两个流量分别为Q1和Q2的支路汇合成一个流道，汇合点前的温度分别为T1和T2，汇合之后的温度为T，流量为Q，则：Q＝Q1+Q2，根据能量守恒，CQ1(T-T1)＝CQ2(T2-T1)，适用于总汇流点A1和子汇流点B2。
步骤S2和S3的执行先后顺序不做限定，在步骤S4中，选取回路中的一点作为温度起点，例如是将总汇流点A1作为起点，根据拓扑结构将各节点和回路的温度变化串接起来，以获得等效物理模型的温度分布。
在一个实施例中，温度分布测定方法还包括步骤S5：测量温度起点的温度，根据等效物理模型的温度分布确定屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布。通过测定一个点的温度即可获得系统整体的温度分布，便于实现温度控制。
如图4所示，以下冷却回路为例，根据等效物理模型，已知总汇流点A1处的上下支路质量流量分别为Qm1和Qm2，换热器出口即总汇流点A1的温度T1，以及各温度影响区等效功率P1(辅助叶轮的等效热影响功率)、P2(下径向轴承的等效热影响功率)、P3(下飞轮的等效热影响功率)。
根据步骤S2：ΔT1＝P1/C(Qm1+Qm2)；ΔT2＝P2/CQm2；ΔT3＝P3/CQm2；
根据步骤S3：CQm1(T-T1)＝CQm2(T2-T)；
联立以上各式，即可得到下冷却回路的温度分布：
T＝T1+(Qm2/Qm1)(ΔT1+ΔT2+ΔT3)；T2＝T+(ΔT1+ΔT2+ΔT3)。
上冷却回路的计算方法与此类似，在此不再赘述，计算完成后，可得到整个系统的整体温度分布值。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，所述屏蔽式核主泵冷却系统包括用于冷却液循环流动的上冷却回路和下冷却回路，所述上冷却回路和下冷却回路的总汇流点和总分流点之间为共用支路，所述共用支路上设有辅助叶轮；
所述上冷却回路上设有屏蔽套、上径向轴承和换热器，其中，所述总分流点的一部分冷却液流入所述屏蔽套，在所述屏蔽套之后为子分流点，子分流点的一部分冷却液流入上径向轴承的内部流道中，子分流点的另一部分冷却液流入上径向轴承的外部流道中，所述内部流道和外部流道的冷却液在子汇流点汇合，流入换热器进行换热，之后流回所述总汇流点；
所述下冷却回路上设有下径向轴承，所述总分流点的另一部分冷却液流入所述下径向轴承，下径向轴承的冷却液流回所述总汇流点；
该方法包括以下步骤：
S1：建立所述屏蔽式核主泵冷却系统的等效物理模型，将所述上冷却回路和下冷却回路上的装置设置为节点，节点和回路的连接构建为一拓扑结构；
S2：获取各节点内冷却液的质量流量Qm、等效热影响功率P、冷却液的比热C；根据CQmΔT＝P确定相应节点的温度变化ΔT，或者，通过数值仿真的方法获得相应节点的温度变化ΔT；所述等效热影响功率P为每个节点装置各自的生热功率与散热功率之差；
S3：获取各汇流点的两个支路汇流前的流量Q1和Q2，及汇流后的流量Q，根据能量守恒，确定汇流点的温度变化关系CQ1(T-T1)＝CQ2(T2-T1)，其中，T1和T2为两个支路汇流前的温度，T为汇流后的温度；
S4：选取回路中的一点作为温度起点，根据所述拓扑结构将温度变化串接起来，以获得所述等效物理模型的温度分布。
2.如权利要求1所述的屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，所述屏蔽套包括同轴设置的内套和外套，所述屏蔽套内设置有定子和转子，所述转子的两端分别通过转轴可转动连接所述上径向轴承和所述下径向轴承；其中，所述定子设置在所述内套和外套之间，所述转子设置在所述内套内，或者，所述转子设置在所述内套和外套之间，所述定子设置在所述内套内，冷却液流经屏蔽套电机绕组带走其电磁涡流生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
3.如权利要求2所述的屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，
所述上冷却回路上还设有用于增加连接所述上径向轴承的转轴转动惯量的上飞轮，所述上径向轴承的内部流道的冷却液流过所述上飞轮的下端面，之后流至所述子汇流点；冷却液流经所述上飞轮的下端面带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
4.如权利要求1所述的屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，所述下冷却回路上还设有用于增加连接所述下径向轴承的转轴转动惯量的下飞轮，所述下径向轴承的冷却液进入所述下飞轮，通过下飞轮的竖向间隙流出，之后流回至所述总汇流点；冷却液流经所述下飞轮带走轴承损耗生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
5.如权利要求1所述的屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，所述上冷却回路上还设有集水环，设置在所述子汇流点的出口部位，用以加强冷却液的冷却作用；冷却液流经所述集水环带走集水环所环装置的生热，以使其对应的节点的出入口温度产生相应变化。
6.如权利要求1所述的屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布测定方法，其特征在于，还包括步骤S5：测量所述温度起点的温度，根据等效物理模型的温度分布确定所述屏蔽式核主泵冷却系统的温度分布。
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