CN106814101B - 立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式湍流Taylor‑Couette流流动传热实验台，包括电机台架、试验台架；试验台架包括依次连接的带轮模块、扭矩仪模块、测试段模块；电机台架中的电机向带轮模块提供动力。本发明根据实验可对转筒和定子的结构及尺寸进行调整，对流场出口位置及流量进行调整，以及轴向温度梯度进行调整，从而研究不同条件下的流场传热特性；本发明可利用扭矩仪测试转子组件的实时扭矩和功率消耗，并利用装配在转、定子壁面的T型热电偶对流场中温度的分布和变化进行实时测量；还可对飞轮减阻技术开展相关的实验及研究，基于PIV对流场中不同尺度的湍流结构进行可视化实验及研究。

Description

立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台

技术领域

本发明涉及传热实验台，具体地，涉及立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台。

背景技术

大型屏蔽电机主泵的飞轮间隙流场形态属于湍流Taylor-Couette流，但这种流动和标准的Taylor-Couette流的流场结构又有一定的差异性，主要区别在于该流动具有较高的轴向流速。这种设计是为了避免一回路水中的热量进入到电机侧，径向轴承处的电机冷却水被引入到飞轮下部，并由飞轮下部出口流回到外部热交换器中，从而保证有足够的电机冷却水带走飞轮间隙流场中的热量，避免引起电机侧的温度上升。在传热过程中，温度对流体粘度产生影响，在不同的转速下，流场呈现不同的湍流形态，不同的湍流形态又会对传热，以及飞轮与流体之间摩擦损耗产生一定的影响。为了研究在不同流场结构、入口流量和转速条件下，飞轮间隙流场的传热特性和功耗问题，需要开展相关的理论分析和实验研究。此外，该实验平台可进一步针对核主泵飞轮减阻技术开展实验研究。研究以上内容对设计用于核反应堆的屏蔽电泵有重要的工程和科学意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种立式Taylor-Couette流流动传热实验台。

根据本发明提供的一种立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，包括电机台架200、试验台架100；

试验台架100包括依次连接的带轮模块、扭矩仪模块、测试段模块；

电机台架200中的电机向带轮模块提供动力。

优选地，所述带轮模块包括：主轴1、第一轴承端盖2、深沟球轴承3、第一唇形油封4、第一锁紧螺母5、锁紧垫片6、轴套7、同步带轮8、第二轴承端盖9、带轮基座10、第二唇形油封11、轴承端盖螺钉12、带轮基座；

同步带轮8通过第一锁紧螺母5、锁紧垫片6以及轴套7锁紧连接于主轴1上，电机通过同步带轮8对主轴1进行驱动，主轴1由深沟球轴承3支撑，深沟球轴承3通过第一轴承端盖2、第二轴承端盖9、轴承端盖螺钉12被固定在带轮基座上，带轮基座上端、下端分别有第一唇形油封4、第二唇形油封11防止用于润滑深沟球轴承3的润滑油泄露；

主轴1连接所述扭矩仪模块中扭矩仪13的一端。

优选地，所述扭矩仪模块包括：扭矩仪13、扭矩支架14、扭矩仪支座15；

扭矩仪13通过螺栓与扭矩支架14连接，扭矩支架14通过螺栓装配在扭矩仪支座15上；

扭矩仪13的另一端连接所述测试段模块中的测试段转轴31。

优选地，所述测试段模块包括定子组件、转子组件；转子组件、定子组件构成了同心圆环的间隙流场。

优选地，定子组件包括：导柱组件16、下圆锥滚子轴承17、下部机械密封件18、测试段下端板19、密封圈20、测试段环向端板21、测试段上端板22、上部机械密封件23、螺杆组件24、上圆锥滚子轴承25、上部机械密封出水段26、下部机械密封出水段27；

测试段上端板22、测试段下端板19以及测试段环向端板21被导柱组件16和螺杆组件24通过螺栓装配定位组成了测试段，测试段环向端板21分别与测试段上端板22、测试段下端板19之间均设置有密封圈20；测试段上部设置有相互连接的上部机械密封件23和上部机械密封出水段26，测试段下部设置有相互连接的下部机械密封件18和下部机械密封出水段27，以进行密封，防止测试段中的水泄露；下圆锥滚子轴承17、上圆锥滚子轴承25分别紧固连接在测试段的下方、上方，下圆锥滚子轴承17、上圆锥滚子轴承25共同支撑转子组件中的测试段转轴31。

优选地，所述转子组件包括：飞轮端板28、键29、转筒30、测试段转轴31、第二锁紧螺母32。测试段转轴31作为转子；

转筒30的上下两端分别连接飞轮端板28，测试段转轴31穿在飞轮端板28和转筒30中，并通过键29带动转筒30旋转，套设在测试段转轴31上的第二锁紧螺母在轴向上固定转筒30和测试段转轴31。

优选地，测试段上端板22、测试段下端板19以及测试段环向端板21上均设置有热电偶安装孔，热电偶安装孔内安装有热电偶。

优选地，转筒30的侧面设置有热电偶安装孔，热电偶安装孔内安装有热电偶。

优选地，3mm直径的热电偶孔内通过密封胶密封安装T型热电偶。

优选地，上部机械密封出水段26、下部机械密封出水段27均开设有出水孔、入水孔；

测试段下端板19也开设有出水孔、入水孔；

测试段上端板22、测试段下端板19的外部均粘贴有硅橡胶加热片，硅橡胶加热片的外部包裹有隔热用的保温棉。

本发明中的扭矩仪可测量测试段转轴的扭矩和转速，用于分析不同转速下的间隙流场带来的水摩损失。在测试段上下端面及环面装有温度可控的硅橡胶加热片，通过调整温度，可以研究轴向温度梯度情况下的间隙流场流动传热特性。立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台采用电机台架(动力输出装置)和测试台架(测试装置)分离的结构。其中，在电机台架上，采用的电机是18.5kW的西门子变频电机，并通过变频器控制电机转速。电机动力输出端上部装有可以传递较大扭矩的44齿的S8M型带轮，而测试台架的同步带轮也采用同样形式的带轮，从而保证电机和测试段的转速同步。

测试段转子组件、定子组件构成了同心圆环的间隙流场，并在定子部件上，沿其轴心方向设计有六个直径3mm热电偶孔。在转筒轴向方向开有十二个直径3mm热电偶孔，并在其上、下端面各设计有两个直径3mm热电偶孔。定子外部包裹有保温层，同时在上下两个端面粘贴有硅橡胶加热片。

温度的测量是通过极细T型热电偶实现，其直径约为0.6mm，T型热电偶具有较高热响应速度(几十毫秒)，并能够将经由热电偶引起的热量流失降到最小，适用于局部温度的瞬态测量，其测量精度为0.1℃，选用T型极细热电偶可以用于测量短时间内的温度波动。

其中，外部定子装置和内部转筒可以根据实验要求进行更换，从而实现偏心可调、转-定子间间隙可调(包括径向和轴向)。此外，通过对转子外表面和定子内表面增设不同肋条形式的结构，可以实现肋条减阻的研究。

(1)转筒可根据不同的实验目的，更换成不同尺寸、不同形状、不同表面形态的转筒。

(2)转-定子间间隙流场的流体出、入口位置可调。即：转-定子间间隙流场内部流体与外界不存在流动时(Taylor-Couette流流场结构)，间隙流场底部出、入口开启(大型屏蔽电机主泵上飞轮流场结构)，间隙流场顶部部出口、底部入口开启(大型轴封式电机主泵飞轮流场结构)。此外，还可以对流体流入间隙流场的流量进行调节。

(3)转-定子间隙流场上下端面粘贴有温度可控的硅橡胶加热片，从而实现具有轴向温度梯度的流场的传热实验。

(4)转子外部表面和定子内部表明粘贴不同结构形式的肋条结构，从而对旋转流场下的减阻技术开展研究。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明是立式湍流Taylor-Couette流流动传热试验台，配合所针对实验内容，国内尚无此种实验台；

2、根据实验，本发明可对转筒和定子的结构及尺寸进行调整，对流场出口位置及流量进行调整，以及轴向温度梯度进行调整，从而研究不同条件下的流场传热特性；

3、本发明可利用扭矩仪测试转子组件的实时扭矩和功率消耗；

4、本发明可利用装配在转、定子壁面的T型热电偶对流场中温度的分布和变化进行实时测量；

5、本发明可以对飞轮减阻技术开展相关的实验及研究；

6、本发明可以基于PIV对流场中不同尺度的湍流结构进行可视化实验及研究。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具体实施示例的结构总装示意图；

图2为本发明中试验台架结构示意图；

图3为图2中沿A-A向的剖面示意图；

图4为本发明带轮模块装配示意图；

图5为本发明扭矩仪组件装配体示意图；

图6为本发明定子组件装配体示意图；

图7为图6中沿A-A向的剖面示意图；

图8为本发明转子组件装配体示意图；

图9为图8中沿A-A向的剖面示意图；

图10、图11、图12为本发明中可开展不同出、入口流场实验的示意图；

图13、图14、图15为本发明中热电偶示意图；

图16为本发明中传热实验测试系统示意图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

附图1给出的是立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台的结构总装示意图，所述传热实验台包括：电机台架200、试验台架100；电机台架200主要由电机组成，电机通过同步带轮8向实验台架提供动力。

附图2、附图3给出的是试验台架的总装图。试验台架100包括依次连接的带轮模块、扭矩仪模块、测试段模块。

附图4是带轮模块装配体。所述带轮模块包括：主轴1、第一轴承端盖2、深沟球轴承3、第一唇形油封4、第一锁紧螺母5、锁紧垫片6、轴套7、同步带轮8、第二轴承端盖9、带轮基座10、第二唇形油封11、轴承端盖螺钉12、带轮基座。同步带轮8通过第一锁紧螺母5、锁紧垫片6以及轴套7锁紧连接于主轴1上，电机通过同步带轮(8)对主轴1进行驱动，主轴1由深沟球轴承3支撑，深沟球轴承3通过第一轴承端盖2、第二轴承端盖9、轴承端盖螺钉12被固定在带轮基座上，带轮基座上端、下端分别有第一唇形油封4、第二唇形油封11防止用于润滑深沟球轴承3的润滑油泄露。主轴1连接扭矩仪模块中扭矩仪13的一端。

附图5是扭矩仪模块装配体。所述扭矩仪模块包括：扭矩仪13、扭矩支架14、扭矩仪支座15。扭矩仪13通过螺栓与扭矩支架14连接，扭矩支架14通过螺栓装配在扭矩仪支座15上。扭矩仪13的另一端连接所述测试段模块中的测试段转轴31。

附图6、附图7是测试台架定子组件装配体。所述测试段模块包括定子组件、转子组件。

定子组件包括：导柱组件16、下圆锥滚子轴承17、下部机械密封件18、测试段下端板19、密封圈20、测试段环向端板21、测试段上端板22、上部机械密封件23、螺杆组件24、上圆锥滚子轴承25、上部机械密封出水段26、下部机械密封出水段27。其中，测试段上端板22、测试段下端板19以及测试段环向端板21被导柱组件16和螺杆组件24通过螺栓装配定位组成了测试段，测试段环向端板21分别与测试段上端板22、测试段下端板19之间均设置有密封圈20；测试段上部设置有相互连接的上部机械密封件23和上部机械密封出水段26，测试段下部设置有相互连接的下部机械密封件18和下部机械密封出水段27，以进行密封，防止测试段中的水泄露；下圆锥滚子轴承17、上圆锥滚子轴承25分别紧固连接在测试段的下方、上方，下圆锥滚子轴承17、上圆锥滚子轴承25共同支撑转子组件中的测试段转轴31。

导柱组件16包括导柱支座、滑动导座、导柱和箍紧环；导柱紧固连接在导柱支座上，滑动导座套设在导柱上，滑动导座上设置有箍紧环；导柱穿过测试段上端板22、测试段下端板19，测试段上端板22的上侧、测试段下端板19的下侧分别被滑动导座紧抵住，以夹持位于中间的测试段环向端板21，滑动导座通过箍紧环与导柱锁紧固定。

螺杆组件24包括螺杆、螺母；螺杆依次穿过上圆锥滚子轴承25的安装基板、测试段上端板22、测试段下端板19、下圆锥滚子轴承17的安装基板，并通过螺母锁定各板的位置。

附图8、附图9是测试台转子组件装配体。所述转子组件包括：飞轮端板28、键29、转筒30、测试段转轴31、第二锁紧螺母32。测试段转轴31作为转子。其中，转筒30的上下两端分别连接飞轮端板28，测试段转轴31穿在飞轮端板28和转筒30中，并通过键29带动转筒30旋转，套设在测试段转轴31上的第二锁紧螺母在轴向上固定转筒30和测试段转轴31。

附图10、附图11、附图12是实验中可以开展研究的流场结构。图10所示的是封闭空间内的Taylor-Couette流流场结构；图11所示的是存在底部间隙流动的Taylor-Couette流流场，该流场结构和大型屏蔽电机主泵上飞轮流场结构一致；图12所示的是具有轴向流动的Taylor-Couette流。该流场结构和大型湿绕组式电机主泵飞轮流场结构一致。

附图13、附图14、附图15所示的是热电偶的布置点，其中，热电偶在图13、图14中以实心圆点表示。在转筒30上，沿其轴向设置有12个热电偶，热电偶安装在热电偶孔中，而在其上、下端板上各设置有2个电偶，同时测试段定子，沿其轴向设置有6个热电偶。

附图16所示的是传热实验测试系统。其中，扭矩仪测得数据包括转速、功率和扭矩，并传输到动态扭矩功率测试仪，并由其传输到PC机上；另外由T型热电偶测得的电压信号，传输给Agilent数据采集仪，并传输到PC机上，并由PC机进行信号处理。

本发明是一种多功能、适应多种实验工况的实验平台。实验台可测试的内容包括：

(1)装配不同尺寸飞轮，研究不同径向间隙和轴向间隙下的Taylor-Couette流流动传热特性；

(2)改变流体入口和出口位置，实现不同流场结构下的传热实验；

(3)定子固定在滑动导座基座上，可以调整其高度，从而实现转筒轴向间隙的调整；

(4)设计透明定子外壳，并采用PIV技术对间隙流场进行可视化实验，并测量流场不同尺度的湍流结构；

(5)在旋转壁面增设不同形貌的肋条结构，从而对肋条减阻技术开展减阻实验。

立式Taylor-Couette流流动传热试验台最终装配在试验台基架上，整套实验设备固定于地面并与相关管路相连。根据实验要求，可以替换不同尺寸、不同形状、不同表面形态的转筒；在进行流场可视化实验时，可在转筒外表面涂抹黑色底漆；在进行减阻技术研究时，可在转筒外部增设不同形式的肋条结构。所述的测试段转筒和定子组件部位均开热电偶孔，转筒表面T型热电偶，经由测试段转轴中空区域穿过，并与测试段转轴下部导电滑环连接，并由导电滑环外的热电偶补偿线输出与Agilent数据采集仪相连。其中通过利用扭矩仪能够测试不同实验飞轮和不同飞轮摩擦损耗测试工装时转筒的实时扭矩，尤其是对不同温度梯度、不同流动方向的Taylor-Couette流的扭矩测试。上部机械密封出水段26、下部机械密封出水段27均开设有出水孔、入水孔，测试段下端板19也开设有出水孔、入水孔，基于不同的实验要求，通过连接不同的出、入水管，可以改变测试段外部水流动的方向，从而实现不同流动方向下的传热实验可以实现不同流动形式的Taylor-Couette流流动传热实验。测试段上端板22、测试段下端板19的外部均粘贴有硅橡胶加热片，硅橡胶加热片的外部包裹有隔热用的保温棉；设计的目的在于通过设定指定温度，保证定子上、下端面的温度，从而实现轴向温度梯度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，包括电机台架(200)、试验台架(100)；

试验台架(100)包括依次连接的带轮模块、扭矩仪模块、测试段模块；

电机台架中的电机向带轮模块提供动力；

所述带轮模块包括：主轴(1)、第一轴承端盖(2)、深沟球轴承(3)、第一唇形油封(4)、第一锁紧螺母(5)、锁紧垫片(6)、轴套(7)、同步带轮(8)、第二轴承端盖(9)、带轮基座(10)、第二唇形油封(11)、轴承端盖螺钉(12)、带轮基座；

同步带轮(8)通过第一锁紧螺母(5)、锁紧垫片(6)以及轴套(7)锁紧连接于主轴(1)上，电机通过同步带轮(8)对主轴(1)进行驱动，主轴(1)由深沟球轴承(3)支撑，深沟球轴承(3)通过第一轴承端盖(2)、第二轴承端盖(9)、轴承端盖螺钉(12)被固定在带轮基座上，带轮基座上端、下端分别有第一唇形油封(4)、第二唇形油封(11)防止用于润滑深沟球轴承(3)的润滑油泄露；

主轴(1)连接所述扭矩仪模块中扭矩仪(13)的一端；

所述测试段模块包括定子组件、转子组件；转子组件、定子组件构成了同心圆环的间隙流场；

定子组件包括：导柱组件(16)、下圆锥滚子轴承(17)、下部机械密封件(18)、测试段下端板(19)、密封圈(20)、测试段环向端板(21)、测试段上端板(22)、上部机械密封件(23)、螺杆组件(24)、上圆锥滚子轴承(25)、上部机械密封出水段(26)、下部机械密封出水段(27)；

测试段上端板(22)、测试段下端板(19)以及测试段环向端板(21)被导柱组件(16)和螺杆组件(24)通过螺栓装配定位组成了测试段，测试段环向端板(21)分别与测试段上端板(22)、测试段下端板(19)之间均设置有密封圈(20)；测试段上部设置有相互连接的上部机械密封件(23)和上部机械密封出水段(26)，测试段下部设置有相互连接的下部机械密封件(18)和下部机械密封出水段(27)，以进行密封，防止测试段中的水泄露；下圆锥滚子轴承(17)、上圆锥滚子轴承(25)分别紧固连接在测试段的下方、上方，下圆锥滚子轴承(17)、上圆锥滚子轴承(25)共同支撑转子组件中的测试段转轴(31)；

所述转子组件包括：飞轮端板(28)、键(29)、转筒(30)、测试段转轴(31)、第二锁紧螺母(32)；测试段转轴(31)作为转子；

转筒(30)的上下两端分别连接飞轮端板(28)，测试段转轴(31)穿在飞轮端板(28)和转筒(30)中，并通过键(29)带动转筒(30)旋转，套设在测试段转轴(31)上的第二锁紧螺母在轴向上固定转筒(30)和测试段转轴(31)。

2.根据权利要求1所述的立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，所述扭矩仪模块包括：扭矩仪(13)、扭矩支架(14)、扭矩仪支座(15)；

扭矩仪(13)通过螺栓与扭矩支架(14)连接，扭矩支架(14)通过螺栓装配在扭矩仪支座(15)上；

扭矩仪(13)的另一端连接所述测试段模块中的测试段转轴(31)。

3.根据权利要求1所述的立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，测试段上端板(22)、测试段下端板(19)以及测试段环向端板(21)上均设置有热电偶安装孔，热电偶安装孔内安装有热电偶。

4.根据权利要求1所述的立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，转筒(30)的侧面设置有热电偶安装孔，热电偶安装孔内安装有热电偶。

5.根据权利要求3或4所述的立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，3mm直径的热电偶孔内通过密封胶密封安装T型热电偶。

6.根据权利要求1所述的立式湍流Taylor-Couette流流动传热实验台，其特征在于，上部机械密封出水段(26)、下部机械密封出水段(27)均开设有出水孔、入水孔；

测试段下端板(19)也开设有出水孔、入水孔；

测试段上端板(22)、测试段下端板(19)的外部均粘贴有硅橡胶加热片，硅橡胶加热片的外部包裹有隔热用的保温棉。

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