CN105699416B - 泰勒库特流轴向传热测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种泰勒库特流轴向传热测试装置，包括外壳、上端盖、下端盖、飞轮和测试单元；上端盖和下端盖分别密封连接所述外壳，与设置在外壳内部的飞轮形成罐状间隙腔室；所述上端盖提供热源，所述下端盖设有将流体通入所述罐状间隙腔室下盘面间隙内的进液口和将混热后的流体输出的出液口；所述飞轮通过转轴带动间隙流体转动，将所述上端盖的热量沿轴向经罐状竖面间隙传递到下盘面间隙；所述测试单元包括设置在所述外壳上的若干测温计、设置在所述下端盖进液口和出液口的测温计、以及设置在所述下端盖进液口的流量计。解决现有测试装置少有研究热量在间隙环流中沿轴向的传递规律，难以为屏蔽电机主泵的飞轮间隙流道结构设计提供技术参数的问题。

Description

泰勒库特流轴向传热测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及对流换热技术领域，特别涉及一种泰勒库特流轴向传热测试装置及其测试方法。

背景技术

核主泵作为核反应堆堆芯冷却剂冷却介质循环的动力源，被誉为核反应堆的心脏。在役核反应堆主泵中，采用轴封泵作为堆芯冷却剂主泵。然而历次核事故的出现对核电安全提出了更高的要求，为了从原理上提高系统安全性，曾被广泛使用的轴封泵因其高压动密封这一技术难点难以突破而被无泄漏的屏蔽泵代替，使用在第三代核电技术上。屏蔽式主泵通过压力边界的转换，将高温高压流体引入电机内部，采用静密封方式代替动密封方式，用完整的压力边界替代了轴封泵中不完整的压力边界，从而提高了堆芯安全性。

然而将高温高压流体引入电机内部，给屏蔽泵内部的结构设计带来了新的挑战。屏蔽式主泵中，上飞轮处于一回路的高温冷却水与上径向轴承之间，上飞轮区域具有多个热源，包括一回路热量经过热屏传递到上飞轮区域、上飞轮区域大半径小间隙引起的高水力功耗，使得上飞轮区域产生很大的温度梯度。这一方面导致飞轮结构内部产生很大的热载荷，另一方面会导致飞轮下端轴承温度升高，影响轴承的承载性能。

此外，由于传热特性与流态相关，屏蔽电机转子转速及间隙流道尺寸均会影响间隙流动的流态，因此轴向温度分布随屏蔽电机运行转速及间隙流道机构的变化而变化。而现有研究主要研究热量沿径向方向传递，轴向传热方式测量技术缺少，无法获得轴向温度分布。通常屏蔽电机采用立式安装结构，在浮升力的作用下会使轴向温差变大，会对飞轮的完整性和上径向轴承的使役性能造成严重影响。

发明内容

本发明目的在于提供一种泰勒库特流轴向传热测试装置，解决现有测试装置少有研究热量在间隙环流中沿轴向的传递规律，难以为屏蔽电机主泵的飞轮间隙流道结构设计提供技术参数的问题。

本发明的另一目的在于提供上述一种泰勒库特流轴向传热测试装置的测试方法，以解决现在缺少间隙环流中轴向传热测量方法，解决现有测试方法难以为液体润滑轴承的设计提供技术参数的问题。

为解决上述问题，本发明提出一种泰勒库特流轴向传热测试装置，包括外壳、上端盖、下端盖、飞轮和测试单元；上端盖和下端盖分别密封连接所述外壳，与设置在外壳内部的飞轮形成罐状间隙腔室；所述上端盖提供热源，所述下端盖设有将流体通入所述罐状间隙腔室下盘面间隙内的进液口和将混热后的流体输出的出液口；所述飞轮通过转轴带动间隙流体转动，将所述上端盖的热量沿轴向经罐状竖面间隙传递到下盘面间隙；所述测试单元包括设置在所述外壳上的若干测温计、设置在所述下端盖进液口和出液口的测温计、以及设置在所述下端盖进液口的流量计。

根据本发明的一个实施例，所述飞轮包括内部空腔体和外部套圈，所述内部空腔体和外部套圈之间固定连接，所述内部空腔体固定连接所述转轴。

根据本发明的一个实施例，所述内部空腔体的两端部的边缘呈阶梯状，所述外部套圈的两端部的内边缘呈阶梯状，所述内部空腔体的阶梯状边缘和所述外部套圈的阶梯状边缘配合连接。

根据本发明的一个实施例，所述内部空腔体的端部和所述外部套圈的端部紧密连接，所述内部空腔体的非端部的部位和所述外部套圈的非端部的部位之间存在间隙。

根据本发明的一个实施例，所述上端盖包括依次层叠连接的间隙调整板、热源基座和盖板，所述间隙调整板用于调整所述上端盖和所述飞轮之间的间隙，所述热源基座用于提供热源，所述盖板用于盖住所述热源基座、以防止热量向外散失。

根据本发明的一个实施例，所述间隙调整板可拆分，拆分线经过所述转轴设置的部位。

根据本发明的一个实施例，所述热源基座内设置有若干扇区蛇形孔流道，通过外部高温液体在所述蛇形流道内的流动产生热源。

根据本发明的一个实施例，所述外壳外壁上设有隔热层。

根据本发明的一个实施例，所述下端盖的出液口呈L型，从外壳流入下端盖出液口的流体转弯后从所述下端盖的边缘流出。

根据本发明的一个实施例，每个所述L型出液口转角处均设有一测温计，且测温计的探头正对来流。

本发明还提供一种前述任意一项所述的测试装置的泰勒库特流轴向传热测试方法，包括以下步骤：

S1：上端盖提供热源；

S2：在外壳内注满液体，飞轮静止时，热源以导热的方式通过上端盖和间隙内的流体传递给下端，形成柱面间隙流场，柱面间隙流场温度呈线性分布；

S3：驱动所述转轴旋转，所述转轴带动飞轮在间隙流体中旋转，当转速较低时，间隙流动处于层流状态，柱面间隙流场温度线性分布；

S4：当转轴转速较高时，间隙内的流体由于飞轮端面的泵送效应及侧面的离心效应发生对流及脉动，从而使得上端盖的热量通过对流换热的方式沿着轴向方向传递，所述上端面的热量通过所述飞轮与所述上端盖间的盘面间隙流体对流换热带走，再通过所述外壳与飞轮间的柱面间隙流体对流换热带走，再与所述下端盖中心入口进入的低温流体混合后从所述下端盖出液口随流体带走；

S5：通过变换转轴转速，测量出不同转速对应的所述下端盖上的进液温度T1，流量M，出液温度T2及外壳上的轴向温度分布，从而获得轴向传热量Q＝Cm(T2-T1)，其中，C为流体比热容，m为根据进液口和出液口间的流体流量获得的质量。

根据本发明的一个实施例，还包括步骤S61：更换不同厚度的间隙调整板，执行步骤S4和S5，得到不同盘面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述上端盖包括依次层叠连接的间隙调整板、热源基座和盖板，所述间隙调整板用于调整所述上端盖和所述飞轮之间的间隙，所述热源基座用于提供热源，所述盖板用于盖住所述热源基座、以防止热量向外散失。

根据本发明的一个实施例，还包括步骤S62：更换不同直径的飞轮的外部套圈，执行步骤S4和S5，得到不同柱面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述飞轮包括内部空腔体和外部套圈，所述内部空腔体和外部套圈之间固定连接，所述内部空腔体固定连接所述转轴。

根据本发明的一个实施例，所述轴向温度分布及轴向传热量包括稳态工况和瞬态工况。

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：外壳、上端盖和下端盖之间形成一密封腔体，通过飞轮的转动使得热量从上端盖对流传递至下端中，飞轮和外壳、上端盖和下端盖之间留有间隙，在外壳轴向上分布设置测温计，用来检测轴向上相应位置处的温度，从而可以获得轴向温度分布，并在上端盖上设置测温计，在下端盖的进液口和出液口均设置了测温计，并通过流量计测量流体质量，从而可以根据测量参数获得轴向传热量。

本发明可以进行罐状间隙流体流动过程中，由于飞轮端面泵送效应及飞轮柱面离心效应引起的盘面卡门涡流、柱面泰勒涡及湍流输运而引起的热量轴向传递和轴向温度分布等相关的快速测试，为大功率屏蔽电机主泵间隙流道结构、飞轮结构及水润滑轴承结构的设计与优化提供技术参数。可实现屏蔽电机上飞轮间隙流体在变转速与变间隙流道结构、变过流表面形貌下因飞轮端面泵送效应和飞轮柱面离心效应产生间隙流体对流，导致热量沿轴向传递的快速测试，为屏蔽电机飞轮间隙流道的结构设计与优化提供参考数据；可通过测量间隙流场在轴向传热下的轴向温度分布，为核主泵飞轮和液体润滑轴承的设计与优化提供参考数据。

附图说明

图1是本发明实施例的泰勒库特流轴向传热测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的上端盖中热源基座的结构示意图；

图3是本发明实施例的泰勒库特流轴向传热测试方法的流程示意图。

图中标记说明：

1-盖板，2-热源基座，3-间隙调整板，4-外部套圈，5-外壳，6-内部空腔体，7-键，8-定位螺钉，9-转轴，11-隔热层，12-锁紧螺母，13-下端盖，14-测温计，15-流量计。

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。

图1示出本实施例的泰勒库特流轴向传热测试装置，包括外壳5、上端盖(1、2、3)、下端盖13、飞轮(4、6)和测试单元。外壳5优选的呈筒状，上端盖和下端盖13相应的为圆形，飞轮优选为内部空心的柱状。测试单元例如包括测温计14、流量计15，但不限于此。

上端盖和下端盖13分别密封连接外壳5的上端和下端，上端盖、下端盖13和外壳5构成密封腔体，上端盖、下端盖13和外壳5与设置在外壳内部的飞轮形成罐状间隙腔室(飞轮外壁和外壳内壁之间存在间隙，飞轮上、下底面分别和上端盖、下端盖之间存在间隙，所有间隙形成一个密封的间隙腔室)，外部热源通过上端盖将热量传递至外壳5内部，在使用时，外壳5内部充满流体，下端盖13上设有使得外壳5与外部连通的进液口和出液口，进液口将流体通入将流体通入罐状间隙腔室的下盘面间隙内，流体在外壳5内与受热后的流体混合后，从出液口流出。

本发明的流体例如可以为水、酒精等液体。

飞轮设置在外壳5内部，较佳的，飞轮可以和外壳5同轴线设置，飞轮轴线上具有转轴，转轴9穿设外壳5，一端连接下端盖13中心，另一端传出上端盖用于和外部驱动器(图中未示出)连接，在外部驱动器的驱动下，飞轮通过转轴9转动从而带动外壳5内的流体转动，外壳5与飞轮之间存在间隙，飞轮与上端盖和下端盖13之间同样存在一定间隙，因而也就是带动外壳5与飞轮的间隙内的流体转动，转轴9设置在外壳5的轴向上，在飞轮高速旋转的情况下，间隙内的流体发生对流传热，将上端盖的热量沿轴向经罐状竖面间隙传递到下盘面间隙。

测试单元包括设置在外壳5上且在轴向上分布的若干测温计、设置在上端盖上的测温计、设置在下端盖进液口和出液口的测温计、以及设置在下端盖进液口的流量计。外壳5轴向上分布的测温计和上端盖上的测温计可以测得轴向温度分布，根据下端盖进液口和出液口的测温计测得的温度，可以获得流体出入的换热温差，根据流量计测得的流体出入的流量可以获的流体相应的质量，从而可以获得轴向传热量。

测温计的探头接触间隙内的流体，测温计在外壳轴向上的分布形式可以根据实际需要进行调整，例如可以是均匀排布。通过测量间隙流场的轴向温度分布，为核主泵飞轮和液体润滑轴承的设计与优化提供参考数据。

较佳的，下端盖13的中心位置开设进液口，下端盖13的边缘处开设出液口，进液口和出液口的数量可以根据实际情况而定。

可选的，下端盖13的出液口呈L型，从外壳5流入下端盖13出液口的流体转弯后从下端盖13的边缘流出，具体的，下端盖13沿圆周方向均匀开设4个出口，每个出口呈L型，以便安装的测温计能够准确测量出口流体的温度。较佳的，每个出液口处均设有一测温计，且测温计的探头正对来流。

飞轮可以包括内部空腔体6和外部套圈4，内部空腔体6和外部套圈4之间固定连接，内部空腔体6固定连接转轴9，内部空腔体6可以减少飞轮的导热效果。具体的，参看图1，外部套圈4通过定位螺钉8与内部空腔体6连接，飞轮内部空腔体6通过键7、锁紧螺母12与转轴9连接，锁紧螺母12连接在转轴9的下端伸出内部空腔体6部位。

在一个实施例中，内部空腔体6的两端部的边缘呈阶梯状，外部套圈4的两端部的内边缘呈阶梯状，内部空腔体6的阶梯状边缘和外部套圈4的阶梯状边缘配合连接，内部空腔体6和外部套圈4的直接连接处设置为阶梯状，可以实现不同直径及表面微观形貌的外部套圈快速更换。

内部空腔体6的端部和外部套圈4的端部紧密连接(直接连接处较佳的是密封连接)，内部空腔体6的非端部的部位和外部套圈4的非端部的部位之间存在间隙。飞轮内部空腔体6与外部套圈4之间接触部位仅为上下两端部，中间的非端部部分设置为空心结构(也就是存在间隙)，以减小飞轮径向热传导。

上端盖可以包括依次层叠连接的间隙调整板3、热源基座2和盖板1，其中，间隙调整3是朝向外壳内侧设置，盖板1位于最外侧，可以通过替换不同厚度的间隙调整板3从而调整上端盖和飞轮之间的间隙，热源基座2提供热源给外壳5内部的流体，盖板1盖住热源基座2以防止热量向外散失。

较佳的，间隙调整板3可拆分，拆分线经过转轴设置的部位。具体的，间隙调整板3可以为两个半圆盘，以便在不拆卸飞轮结构的情况下快速更换不同厚度、不同表面形貌的间隙调整板，实现不同盘面间隙宽度的换热效果测试。

热源基座2内设置有若干扇区蛇形孔流道，通过外部高温液体在蛇形流道内的流动产生热源。参看图2，上端盖热源基座2内部设置4个扇区蛇形流道21，使得热源分布均匀，外部高温液体在蛇形流道21内部流动，从而提供热源。

上端盖还可以包括动密封和静密封结构，增强密封效果。

外壳5外壁上设有隔热层，以减弱热量沿径向的传递作用。

本发明的测试装置的扭矩传递路径为：外部驱动器输出的扭矩传递到转轴9，转轴9通过键7将扭矩传递到飞轮内部空腔体6，飞轮内部空腔体6通过定位螺钉8将扭矩传递给外部套筒4，完成飞轮的驱动。

本发明的测试装置的热流传递路径为：上端盖的热源基座2内蛇形流道中流动高温液体通过对流换热将热量传递给上端盖，上端盖通过导热将热量传递到间隙调整板3的下表面，再通对流化热将热量传递到飞轮(4、6)与间隙调整板3间的上盘面间隙流体中，上盘面间隙流体通过对流将热量传递到飞轮4与外壳5的柱面间隙流体中，再经柱面间隙流体对流将热量传递到下端盖13与飞轮(4、6)的盘面间隙流体中，最后热量与通过从下端盖13中心的进液口流入的低温流体混合，被从下端盖13边缘的出液口流出的流体带走。

图3示出本实施例的泰勒库特流轴向传热测试方法，可以用于本发明前述的泰勒库特流轴向传热测试装置的测试，该方法包括以下步骤：

S1：上端盖提供热源；根据图1中的测试装置的各部件的连接关系进行安装，在上端盖的蛇形流道内通入高温液体，并启动外部高温液体循环，以提供热源；较佳的，相邻两个扇区的蛇形流道内高温液体的流动方向相反。

S2：在外壳内注满液体(流动时成为所述流体)，飞轮静止时，热源以导热的方式通过上端盖和间隙内的流体传递给下端，形成柱面间隙流场，柱面间隙流场温度呈线性分布；

S3：启动外部驱动器，驱动器驱动所述转轴旋转，所述转轴带动飞轮在间隙流体中旋转，当转速较低时，间隙流动处于层流状态，柱面间隙流场温度线性分布；

S4：当转轴转速较高时，间隙内的流体由于飞轮端面的泵送效应及侧面的离心效应发生对流及脉动，从而使得上端盖的热量通过对流换热的方式沿着轴向方向传递，所述上端面的热量通过所述飞轮与所述上端盖间的盘面间隙流体对流换热带走，再通过所述外壳与飞轮间的柱面间隙流体对流换热带走，再与所述下端盖中心入口进入的低温流体混合后从所述下端盖出液口随流体带走；

S5：通过变换转轴转速，测量出不同转速对应的所述下端盖上的进液温度T1，流量M，出液温度T2及外壳上的轴向温度分布，从而获得轴向传热量Q＝Cm(T2-T1)，其中，C为流体比热容，m为根据进液口和出液口间的流体流量获得的质量。

在一个实施例中，还包括步骤S61：更换不同厚度的间隙调整板，执行步骤S4和S5，得到不同盘面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述上端盖包括依次层叠连接的间隙调整板、热源基座和盖板，所述间隙调整板用于调整所述上端盖和所述飞轮之间的间隙，所述热源基座用于提供热源，所述盖板用于盖住所述热源基座、以防止热量向外散失。

在一个实施例中，还包括步骤S62：更换不同直径的飞轮的外部套圈，执行步骤S4和S5，得到不同柱面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述飞轮包括内部空腔体和外部套圈，所述内部空腔体和外部套圈之间固定连接，所述内部空腔体固定连接所述转轴。

可选的，轴向温度分布及轴向传热量包括稳态工况和瞬态工况。

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 (14)

1.一种泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，包括外壳、上端盖、下端盖、飞轮和测试单元；上端盖和下端盖分别密封连接所述外壳，与设置在外壳内部的飞轮形成罐状间隙腔室；所述上端盖提供热源，所述下端盖设有将流体通入所述罐状间隙腔室下盘面间隙内的进液口和将混热后的流体输出的出液口；所述飞轮通过转轴带动间隙流体转动，将所述上端盖的热量沿轴向经罐状竖面间隙传递到下盘面间隙；所述测试单元包括设置在所述外壳上的若干测温计、设置在所述下端盖进液口和出液口的测温计、以及设置在所述下端盖进液口的流量计。

2.如权利要求1所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述飞轮包括内部空腔体和外部套圈，所述内部空腔体和外部套圈之间固定连接，所述内部空腔体固定连接所述转轴。

3.如权利要求2所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述内部空腔体的两端部的边缘呈阶梯状，所述外部套圈的两端部的内边缘呈阶梯状，所述内部空腔体的阶梯状边缘和所述外部套圈的阶梯状边缘配合连接。

4.如权利要求2所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述内部空腔体的端部和所述外部套圈的端部紧密连接，所述内部空腔体的非端部的部位和所述外部套圈的非端部的部位之间存在间隙。

5.如权利要求1所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述上端盖包括依次层叠连接的间隙调整板、热源基座和盖板，所述间隙调整板用于调整所述上端盖和所述飞轮之间的间隙，所述热源基座用于提供热源，所述盖板用于盖住所述热源基座、以防止热量向外散失。

6.如权利要求5所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述间隙调整板可拆分，拆分线经过所述转轴设置的部位。

7.如权利要求5所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述热源基座内设置有若干扇区蛇形孔流道，通过外部高温液体在所述蛇形流道内的流动产生热源。

8.如权利要求1所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述外壳外壁上设有隔热层。

9.如权利要求1所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，所述下端盖的出液口呈L型。

10.如权利要求9所述的泰勒库特流轴向传热测试装置，其特征在于，每个所述L型出液口转弯处均设有一测温计，且测温计的探头正对来流。

11.一种如权利要求1-10中任意一项所述的测试装置的泰勒库特流轴向传热测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：上端盖提供热源；

S2：在外壳内注满液体，飞轮静止时，热源以导热的方式通过上端盖和间隙内的流体传递给下端，形成柱面间隙流场，柱面间隙流场温度呈线性分布；

S3：驱动所述转轴旋转，所述转轴带动飞轮在间隙流体中旋转，当转速较低时，间隙流动处于层流状态，柱面间隙流场温度线性分布；

S4：当转轴转速较高时，间隙内的流体由于飞轮端面的泵送效应及侧面的离心效应发生对流及脉动，从而使得上端盖的热量通过对流换热的方式沿着轴向方向传递，所述上端面的热量通过所述飞轮与所述上端盖间的盘面间隙流体对流换热带走，再通过所述外壳与飞轮间的柱面间隙流体对流换热带走，再与所述下端盖中心入口进入的低温流体混合后从所述下端盖出液口随流体带走；

S5：通过变换转轴转速，测量出不同转速对应的所述下端盖上的进液温度T1，流量M，出液温度T2及外壳上的轴向温度分布，从而获得轴向传热量Q＝Cm(T2-T1)，其中，C为流体比热容，m为根据进液口和出液口间的流体流量获得的质量。

12.如权利要求11所述的泰勒库特流轴向传热测试方法，其特征在于，还包括步骤S61：更换不同厚度的间隙调整板，执行步骤S4和S5，得到不同盘面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述上端盖包括依次层叠连接的间隙调整板、热源基座和盖板，所述间隙调整板用于调整所述上端盖和所述飞轮之间的间隙，所述热源基座用于提供热源，所述盖板用于盖住所述热源基座、以防止热量向外散失。

13.如权利要求11所述的泰勒库特流轴向传热测试方法，其特征在于，还包括步骤S62：更换不同直径的飞轮的外部套圈，执行步骤S4和S5，得到不同柱面间隙宽度情况下的不同转速对应的轴向温度分布及轴向传热量；其中，所述飞轮包括内部空腔体和外部套圈，所述内部空腔体和外部套圈之间固定连接，所述内部空腔体固定连接所述转轴。

14.如权利要求11所述的泰勒库特流轴向传热测试方法，其特征在于，所述轴向温度分布及轴向传热量包括稳态工况和瞬态工况。