CN106950001B - 屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置及方法，包括电机、联轴器、转轴、上端盖、飞轮组件、扭矩传感器、外壳、下端盖，外壳的上下两端分别盖设有上端盖及下端盖，使得上端盖、外壳、下端盖之间形成封闭的罐状间隙腔室，转轴沿上端盖的中轴线贯穿整个间隙腔室，在间隙腔室内设置有飞轮组件，转轴通过联轴器与电机相连，在电机的驱动下，联轴器带动转轴旋转，转轴带动飞轮组件转动，从而带动间隙腔室内的流体旋转。该装置测得柱面阻力转矩后，减去中飞轮内的扭矩传感器测量得到的柱面转矩，得到盘面阻力转矩，从而为飞轮的流体动力学设计与优化提供参考资料。

Description

屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置及方法

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置及方法。

背景技术

核主泵用来将冷水泵入蒸发器转换热能，是核电运转控制水循环的关键，被誉为核反应堆的心脏，目前多采用轴封泵作为堆芯冷却剂主泵。由于历次核事故的出现，各国也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而被无泄漏的屏蔽泵替代。屏蔽式主泵是通过压力边界的转换，将高压流体引入电机内部，采用静密封代替动密封，用完整的压力边界替代了轴封泵不完整的压力边界，从而提高了堆芯安全性，然而屏蔽式主泵由于受到较大的流体阻力，并且在安全性设计对断电工况下主泵惰转性能提出了更高要求，因此该屏蔽式主泵在结构上需增加大惯量飞轮，以满足系统惰转惯量的要求。

然而在飞轮半径增大的过程中，尽管飞轮的转动惯量增加了，但飞轮表面的线速度提高，飞轮间隙流体变形速率增大，飞轮间隙流体的阻力矩和粘性耗散也相应增大，导致主泵屏蔽电机的效率降低，惰转性能变差，因此有必要研究飞轮主力转矩随飞轮线速度变化规律，但由于飞轮间隙流道为罐状结构，既有柱面的阻力转矩，也有盘面的阻力转矩，在研究飞轮主力转矩随飞轮线速度变化规律中需要将二者解耦，从而得到柱面和盘面所占的能耗比例，从而为优化飞轮外形结构尺寸、提高飞轮惰转性能、降低飞轮的水力功耗提供数据资料。

发明内容

本发明提供一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置及方法，以解决现有技术中不能将飞轮所受的阻力转矩分解，从而难以为飞轮的结构设计及间隙流道的尺寸设计提供技术参数的技术难题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，包括电机、联轴器、转轴、上端盖、飞轮组件、扭矩传感器、外壳、下端盖，所述的外壳的上下两端分别盖设有上端盖及下端盖，使得上端盖、外壳、下端盖之间形成封闭的罐状间隙腔室，所述的转轴沿上端盖的中轴线贯穿整个间隙腔室，在所述间隙腔室内设置有飞轮组件，所述的飞轮组件包括以转轴为中心轴自上而下依次布置的上飞轮、中飞轮及下飞轮，上飞轮、中飞轮、下飞轮分别通过扭矩传感器与转轴连接，所述的转轴通过联轴器与电机相连，在电机的驱动下，联轴器带动转轴旋转，转轴带动飞轮组件转动，从而带动间隙腔室内的流体旋转。

进一步地，所述的上飞轮、中飞轮及下飞轮的组成结构一致，包括飞轮上端盖、扭矩传感器、连接法兰、飞轮腔体及飞轮下端盖，所述的飞轮上端盖与飞轮下端盖相盖合形成飞轮腔体，在飞轮腔体内设有扭矩传感器，所述的扭矩传感器一端与飞轮上端盖固定连接，扭矩传感器的另一端通过连接法兰与转轴连接，形成由电机依次传递至联轴器、转轴、连接法兰、扭矩传感器、上飞轮/中飞轮/下飞轮、间隙流体的转矩传递路径。

进一步地，所述的中飞轮的高度为上飞轮、下飞轮的高度的两倍，使得上飞轮、中飞轮及下飞轮中的扭矩传感器的载荷相当。

进一步地，所述的中飞轮的两端设有一对深沟球轴承支撑以增加刚度。

进一步地，所述的扭矩传感器测量转动状态下间隙流体分别作用于上飞轮、中飞轮及下飞轮上的转矩。

进一步地，所述的电机通过电机支撑座置于轴承座的上部，轴承座下部固定连接上端盖，电机支撑座内设有滑环，在电机支撑座与电机之间设有转轴支撑结构,转轴支撑结构由一对角接触球轴承和一个深沟球轴承呈三点布置组成。

进一步地，所述的上飞轮、中飞轮及下飞轮内扭矩传感器的信号线穿过转轴上的孔后连接至滑环，所述的扭矩传感器信号通过滑环输出。

进一步地，所述的外壳上布置有温度传感器，所述的温度传感器用于实时监测间隙腔室内部的温度变化，并将温度数据反馈到上、下端盖的流量控制系统，以维持罐状间隙腔室内流体的温度保持不变。

进一步地，所述的上端盖、下端盖上分别设有呈螺旋布置的截面流道，在上端盖、下端盖的两侧分别开设有进水口及出水口，冷却水经过进水口及出水口在截面流道中形成流动路径，使得间隙环流在高速转动产生的粘性热被冷却水带走。

本发明还提供一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试方法，采用上述任意一项所述的屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，包括以下步骤：

a.安装所述屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置；

b.在所述的外壳内注满液体，启动电机，电机通过联轴器将扭矩传递给转轴，所述的转轴将扭矩分别传递给上飞轮、中飞轮及下飞轮中的连接法兰，各连接法兰将扭矩传递给扭矩传感器，扭矩传感器再将扭矩传递给上飞轮、中飞轮及下飞轮，从而带动间隙腔室内部的流体旋转，分别测量出上飞轮、中飞轮及下飞轮所受的流体阻力矩为G_上、G_中、G_下；

c.所述的上飞轮的流体阻力矩包括上端面的阻力和飞轮柱面间隙的流体阻力矩；中飞轮的阻力矩为飞轮柱面间隙的流体阻力矩，下飞轮的流体阻力为下飞轮柱面间隙流体阻力矩和下飞轮下端面流体阻力矩，假设上飞轮、中飞轮及下飞轮的长度分别为L_上、L_中、L_下，则飞轮的上盘面间隙流体阻力转矩为：

下盘面间隙流体的阻力转矩为：

柱面间隙流体阻力转矩为：

由此实现飞轮罐状间隙流体阻力转矩的解耦测量。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明将间隙流体作用于飞轮上的阻力矩分别分解为上、下盘面间隙阻力矩和柱面间隙阻力矩，从而可实现屏蔽电机飞轮罐状间隙环流主力转矩精确测试，避免转轴处的动密封产生的阻力转矩的影响，实现屏蔽电机飞轮罐状间隙上、下盘面间隙流体与柱面间隙流体产生的阻力转矩的解耦及快速测试，为屏蔽电机主泵的飞轮流体动力学设计与优化和飞轮间隙流道结构设计提供参考数据。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中飞轮的结构示意图；

符号说明：

1.电机 2.转轴支撑结构 3.联轴器 4.电机支撑座 5.轴承 6.滑环 7.轴承座 8.转轴 9.上端盖 10.上飞轮 11.外壳 12.中飞轮 13.下飞轮 14.下端盖 15.深沟球轴承16.截面流道 17.进水口 18.出水口 19.温度传感器 10-1.飞轮上端盖 10-2.扭矩传感器10-3.连接法兰 10-4.飞轮腔体 10-5飞轮下端盖。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明可实现屏蔽电机飞轮罐状间隙环流主力转矩精确测试，避免转轴处的动密封产生的阻力转矩的影响，并可实现屏蔽电机飞轮在转动时罐状间隙环流上、下盘面间隙流体与柱面间隙流体产生的阻力转矩的解耦测试，为屏蔽电机主泵的飞轮流体动力学设计与优化和飞轮间隙流道结构设计提供参考数据。此外，还可在本发明的基础上，通过数据收集与分析系统实现启停瞬态工况、额定工况下屏蔽电机主泵的飞轮间隙流体产生的阻力转矩的在线收集与分析。

以下结合本发明的优选实施例对本发明做进一步地描述。

实施例1

请参阅图1，本装置包括电机1、联轴器3、转轴8、上端盖9、飞轮组件、扭矩传感器10-2、外壳11、下端盖14，外壳11的上下两端分别盖设有上端盖9及下端盖14，使得上端盖9、外壳11、下端盖14之间形成封闭的罐状间隙腔室，本装置的主要旋转轴为转轴8，该转轴8沿上端盖9的中轴线贯穿整个间隙腔室，在间隙腔室内设置有飞轮组件，转轴8通过联轴器3连接有电机1，在电机1的驱动下，联轴器3带动转轴8旋转，转轴8带动飞轮组件转动，从而带动间隙腔室内的流体旋转。

在本实施例中，在本装置的上端盖9、下端盖14上分别设有呈螺旋布置的截面流道16，在上端盖9、下端盖14的两侧分别开设有进水口17及出水口18，冷却水经过进水口17及出水口18在截面流道16中形成流动路径，使得间隙环流在高速转动产生的粘性热被冷却水带走。

在本实施例中，飞轮组件包括以转轴8为中心轴自上而下依次布置的上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13，上飞轮10、中飞轮12、下飞轮13分别通过扭矩传感器10-2与转轴8连接，扭矩传感器10-2直接测量转动状态下间隙流体分别作用于上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13上的转矩，以消除上端盖9、下端盖14处的动密封摩擦转矩和轴承系统的阻力转矩。上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13的组成结构一致，包括飞轮上端盖10-1、扭矩传感器10-2、连接法兰10-3、飞轮腔体10-4及飞轮下端盖10-5，参见图2，飞轮上端盖10-1与飞轮下端盖10-5相盖合形成飞轮腔体10-4，在飞轮腔体10-4内设有扭矩传感器10-2，扭矩传感器10-2一端与飞轮上端盖10-1固定连接，扭矩传感器10-2的另一端通过连接法兰10-3与转轴8连接，形成由电机1依次传递至联轴器3、转轴8、连接法兰10-3、扭矩传感器10-2、上飞轮10/中飞轮12/下飞轮13、间隙流体的转矩传递路径，同时，还可对能量进行传递。

在本实施例中，电机1通过电机支撑座4置于轴承座7的上部，轴承座7下部固定连接上端盖9，电机支撑座4中部设有轴承5，轴承5将电机支撑座4内分为两个腔体，在上腔体内设有联轴器3，电机支撑座4的下腔体内设有滑环6，在电机支撑座4与电机1之间设有转轴支撑结构2,转轴支撑结构2由一对角接触球轴承和一个深沟球轴承呈三点布置组成。

在本实施例中，上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13内扭矩传感器10-2的信号线穿过转轴8上的孔后连接至滑环6，扭矩传感器10-2信号通过滑环6输出。考虑到扭矩传感器10-2的信号传输问题，可将转轴8设计为一空心轴，以便于扭矩传感器10-2的信号线通过空心的转轴8往外传输信号。

在本实施例中，为使得上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13中的扭矩传感器10-2的载荷相当，将中飞轮12的高度设置为上飞轮10、下飞轮13的高度的两倍；由于体积、重量增大，在中飞轮12的两端分别设有一对深沟球轴承15，用以支撑并增加中飞轮12的刚度，当然也可有其他增加刚度的结构，在此处不作限制。

在此实施例的基础上，还通过数据收集与分析系统实现启停瞬态工况、额定工况下屏蔽电机主泵的飞轮间隙流体产生的阻力转矩的在线收集与分析，如在本实施例中，可在外壳11上布置一个或一个以上的温度传感器19，温度传感器19主要用于实时监测间隙腔室内部的温度变化，并将温度数据反馈到上端盖9、下端盖14的流量控制系统，以维持罐状间隙腔室内流体的温度保持不变。

实施例2

本发明还提供一种利用实施例1中的屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦装置的测试方法，该方法包括以下步骤：

a.安装屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置；

b.在外壳11内注满液体，启动电机1，电机1通过联轴器3将扭矩传递给转轴8，转轴8将扭矩分别传递给上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13中的连接法兰10-3，各连接法兰10-3将扭矩传递给扭矩传感器10-2，扭矩传感器10-2再将扭矩传递给上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13，从而带动间隙腔室内部的流体旋转，分别测量出上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13所受的流体阻力矩为G_上、G_中、G_下；

c.上飞轮10的流体阻力矩包括上端面的阻力和飞轮柱面间隙的流体阻力矩；中飞轮12的阻力矩为飞轮柱面间隙的流体阻力矩，下飞轮13的流体阻力为下飞轮柱面间隙流体阻力矩和下飞轮下端面流体阻力矩，假设上飞轮10、中飞轮12及下飞轮13的长度分别为L_上、L_中、L_下，则飞轮的上盘面间隙流体阻力转矩为：

下盘面间隙流体的阻力转矩为：

柱面间隙流体阻力转矩为：

由此实现飞轮罐状间隙流体阻力转矩的解耦测量。

在本实施例中，步骤b中的液体包括水等其他流体。电机1的转速可限定为0-3000rpm。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，包括电机、联轴器、转轴、上端盖、飞轮组件、扭矩传感器、外壳、下端盖，所述的外壳的上下两端分别盖设有上端盖及下端盖，使得上端盖、外壳、下端盖之间形成封闭的罐状间隙腔室，所述的转轴沿上端盖的中轴线贯穿整个间隙腔室，在所述间隙腔室内设置有飞轮组件，所述的飞轮组件包括以转轴为中心轴自上而下依次布置的上飞轮、中飞轮及下飞轮，上飞轮、中飞轮、下飞轮分别通过扭矩传感器与转轴连接，所述的转轴通过联轴器与电机相连，在电机的驱动下，联轴器带动转轴旋转，转轴带动飞轮组件转动，从而带动间隙腔室内的流体旋转。

2.根据权利要求1所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的上飞轮、中飞轮及下飞轮的组成结构一致，包括飞轮上端盖、扭矩传感器、连接法兰、飞轮腔体及飞轮下端盖，所述的飞轮上端盖与飞轮下端盖相盖合形成飞轮腔体，在飞轮腔体内设有扭矩传感器，所述的扭矩传感器一端与飞轮上端盖固定连接，扭矩传感器的另一端通过连接法兰与转轴连接，形成由电机依次传递至联轴器、转轴、连接法兰、扭矩传感器、上飞轮/中飞轮/下飞轮、间隙流体的转矩传递路径。

3.根据权利要求2所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的中飞轮的高度为上飞轮、下飞轮的高度的两倍，使得上飞轮、中飞轮及下飞轮中的扭矩传感器的载荷相当。

4.根据权利要求2所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的中飞轮的两端设有一对深沟球轴承支撑以增加刚度。

5.根据权利要求1所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的扭矩传感器测量转动状态下间隙流体分别作用于上飞轮、中飞轮及下飞轮上的转矩。

6.根据权利要求1所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的电机通过电机支撑座置于轴承座的上部，轴承座下部固定连接上端盖，电机支撑座内设有滑环，在电机支撑座与电机之间设有转轴支撑结构,转轴支撑结构由一对角接触球轴承和一个深沟球轴承呈三点布置组成。

7.根据权利要求6所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的上飞轮、中飞轮及下飞轮内扭矩传感器的信号线穿过转轴上的孔后连接至滑环，所述的扭矩传感器信号通过滑环输出。

8.根据权利要求1所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的外壳上布置有温度传感器，所述的温度传感器用于实时监测间隙腔室内部的温度变化，并将温度数据反馈到上、下端盖的流量控制系统，以维持罐状间隙腔室内流体的温度保持不变。

9.根据权利要求1所述的一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，其特征在于，所述的上端盖、下端盖上分别设有呈螺旋布置的截面流道，在上端盖、下端盖的两侧分别开设有进水口及出水口，冷却水经过进水口及出水口在截面流道中形成流动路径，使得间隙环流在高速转动产生的粘性热被冷却水带走。

10.一种屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9中任意一项所述的屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置，包括以下步骤：

a.安装所述屏蔽电机飞轮罐状间隙腔室阻力转矩解耦测试装置；

b.在所述的外壳内注满液体，启动电机，电机通过联轴器将扭矩传递给转轴，所述的转轴将扭矩分别传递给上飞轮、中飞轮及下飞轮中的连接法兰，各连接法兰将扭矩传递给扭矩传感器，扭矩传感器再将扭矩传递给上飞轮、中飞轮及下飞轮，从而带动间隙腔室内部的流体旋转，分别测量出上飞轮、中飞轮及下飞轮所受的流体阻力矩为G_上、G_中、G_下；

c.所述的上飞轮的流体阻力矩包括上端面的阻力矩和上飞轮柱面间隙的流体阻力矩；中飞轮的阻力矩为中飞轮柱面间隙的流体阻力矩，下飞轮的流体阻力矩为下飞轮柱面间隙流体阻力矩和下飞轮下端面流体阻力矩，假设上飞轮、中飞轮及下飞轮的长度分别为L_上、L_中、L_下，则飞轮的上盘面间隙流体阻力转矩为：

下盘面间隙流体的阻力转矩为：

柱面间隙流体阻力转矩为：

由此实现飞轮罐状间隙流体阻力转矩的解耦测量。