CN106951591B - 基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法 - Google Patents

基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法,通过搭建罐状间隙环流试验台，测量飞轮端面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律，并将转速和转矩无量纲化，拟合无量纲转矩系数与无量纲转速的函数关系，从而计算额定转速、不同形状下飞轮上、下盘面和阻力转矩；建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系，在总转矩最小处对应的高度尺寸即为能耗最小尺寸，并得到飞轮的半径，从而求得飞轮转动惯量不变时最优外形尺寸，优化过程简单，能够快速、准确地计算出给定转动惯量的最优飞轮外形尺寸，以达到屏蔽电机主泵的能耗最低值，从而提高屏蔽电机主泵的惰转性能。

Description

基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法。
背景技术
核电、水电、火电这三种发电方式现为实现供电的主要动力能源，为了实现我国核电的发展规划，目前共有在运、在建及拟建的核电机组52台。核主泵是用来将冷水泵入蒸发器转换热能的装置，是核电运转控制水循环的关键设备，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，尽管增加了飞轮的转动惯量，但是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，导致屏蔽电机主泵的效率降低，惰转性能变差，因此，屏蔽电机主泵飞轮的直径存在一个最优值，使得屏蔽电机主泵的能耗最低。
发明内容
本发明提供一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构尺寸优化方法，以达到计算最优飞轮外形尺寸，从而降低屏蔽电机主泵的水力功耗，提高屏蔽电机主泵的惰转性能的目的。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法,所述的优化方法包括以下步骤：
S1.搭建间隙环流试验台，测量飞轮端面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律；
S2.将转速和转矩无量纲化；
S3.拟合无量纲转矩系数与无量纲转速的函数关系；
S4.保持飞轮的转动惯量不变，建立飞轮半径与高度的关系模型；
S5.利用步骤S2中无量纲化后的阻力转矩预测模型，分别计算额定转速、不同形状下的飞轮柱面和飞轮盘面的阻力转矩；
S6.按照步骤S5中计算出的数据，建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系，将飞轮柱面的阻力转矩和飞轮盘面的阻力转矩相加为总转矩，在总转矩最小时对应的高度尺寸即为屏蔽电机主泵能耗最小时的最优外形尺寸，从而得到飞轮的最优高度h′；
S7.根据步骤S4中飞轮半径与高度的关系模型，代入最优高度h′,得到飞轮的最优半径r′，从而得出当飞轮的转动惯量不变时飞轮的最优外形尺寸。
进一步地，所述的转速和转矩无量纲化为：
飞轮柱面转速无量纲为泰勒数：
Figure GDA0002631294620000021
飞轮柱面的阻力转矩无量纲为：
Figure GDA0002631294620000022
飞轮端面转速无量纲为：
Figure GDA0002631294620000023
飞轮盘面的阻力转矩无量纲为：
Figure GDA0002631294620000024
其中，ω为飞轮角速度，r为飞轮半径，d为柱面间隙尺寸，υ为间隙流体的运动速度，T柱为柱面转矩，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度,a为飞轮盘面间隙高度,T盘为盘面阻力转矩。
进一步地，拟合所述飞轮柱面无量纲阻力转矩及飞轮盘面无量纲阻力转矩随无量纲转速变化的函数关系为：
G柱＝0.009Ta 0.39
G盘＝0.065Re -0.2
其中，Ta为飞轮柱面转速，Re为飞轮端面转速。
进一步地，所述的无量纲转矩与无量纲转速的函数关系采用最小二乘法拟合计算。
进一步地，所述的飞轮为同心圆柱体，其转动惯量为0.5m(r2-ri 2),假设所需转动惯量为C，保持飞轮转动惯量不变，得到飞轮半径与高度的关系模型为：
Figure GDA0002631294620000031
其中，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度，ri为飞轮与转轴配合安装孔内径。
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：
1.本发明是基于间隙环流阻力特性，来对屏蔽电机主泵的飞轮结构尺寸进行优化计算，优化过程简单，能够快速、准确地计算出给定转动惯量的最优飞轮外形尺寸，以达到屏蔽电机主泵的能耗最低值，从而提高屏蔽电机主泵的惰转性能；
2.本优化方法适用范围广，只需获取主泵的相关实验数据，根据相似原理，通过转速、阻力转矩的无量纲关系，即可推广到不同主泵实际的高速运行工况下，从而降低成本。
附图说明
图1是本发明优化方法的流程示意图；
图2是本发明实施例1中飞轮半径随飞轮高度变化的曲线图；
图3是本发明实施例1中飞轮阻力转矩随飞轮高度变化的曲线图；
图4是本发明实施例1中飞轮总能耗随飞轮高度变化的曲线图。
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，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。
本发明提供一种屏蔽电机主泵飞轮结构尺寸优化方法，是基于间隙环流阻力特性，提供飞轮在转动惯量不变下能耗最小的结构尺寸进行优化计算，以达到最优飞轮外形尺寸，优化过程简单，能够快速、准确地计算出给定转动惯量的最优飞轮外形尺寸，以达到屏蔽电机主泵的能耗最低值，从而提高屏蔽电机主泵的惰转性能。
以下结合附图对本发明中记载的技术方案进行进一步陈述。
实施例1
参见图1的流程示意图，本发明中的优化方法包括以下步骤：
S1.搭建间隙环流试验台，测量飞轮端面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律；
S2.将转速和转矩无量纲化为：
飞轮柱面转速无量纲为泰勒数：
Figure GDA0002631294620000041
飞轮柱面的阻力转矩无量纲为：
Figure GDA0002631294620000051
飞轮端面转速无量纲为雷诺数：
Figure GDA0002631294620000052
飞轮盘面的阻力转矩无量纲为：
Figure GDA0002631294620000053
其中，ω为飞轮角速度，r为飞轮半径，d为柱面间隙尺寸，υ为间隙流体的运动速度，T柱为柱面转矩，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度,a为飞轮盘面间隙高度,T盘为盘面阻力转矩；
S3.拟合无量纲转矩系数与无量纲转速的函数关系，具体地，可采用最小二乘法拟合计算飞轮柱面无量纲阻力转矩及飞轮盘面无量纲阻力转矩随无量纲转速变化的函数关系为：
G柱＝0.009Ta 0.39
G盘＝0.065Re -0.2
其中，Ta为飞轮柱面转速，Re为飞轮端面转速；
上式中，G盘为盘面无量纲转矩系数与雷诺数的函数关系，G柱为柱面无量纲转矩系数与泰勒数的函数关系；
S4.保持飞轮的转动惯量不变，建立飞轮半径与高度的关系模型,
具体地，由于飞轮一般为同心圆柱体，其转动惯量为0.5m(r2-ri 2),假设所需转动惯量为C，保持飞轮转动惯量不变，则可得到飞轮半径与高度的关系模型为：
Figure GDA0002631294620000054
其中，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度，ri为飞轮与转轴配合安装孔内径；
S5.利用步骤S2中无量纲化后的阻力转矩预测模型，分别计算额定转速、不同形状下的飞轮柱面和飞轮盘面的阻力转矩；
S6.按照步骤S5中计算出的数据，建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系(可通过曲线图等形式标示出)，其中，飞轮柱面的阻力转矩和飞轮盘面的阻力转矩相加则为总转矩，当在总转矩最小时对应的高度尺寸即为屏蔽电机主泵能耗最小时的最优外形尺寸，从而得到飞轮的最优高度h′；
S7.根据步骤S4中飞轮半径与高度的关系模型，代入最优高度h′,得到飞轮的最优半径r′，从而可得出当飞轮的转动惯量不变时飞轮的最优外形尺寸。
参见图2至图4，从这三个曲线图中可明显看出，当飞轮转动惯量保持不变时，飞轮外半径增加，飞轮高度将减小，随着飞轮高度的减小，飞轮的盘面(即端面)阻力转矩逐渐增加，而飞轮的柱面阻力转矩逐渐减小，因此飞轮的外形尺寸存在最优形状，使得盘面转矩加柱面转矩达到最小，即总转矩最小，此时屏蔽电机主泵的能量消耗最小，由此，可推算出屏蔽电机主泵能量消耗最小时的飞轮最优外形尺寸。
另外，本优化方法可根据相似原理，通过转速、阻力转矩的无量纲关系，只需获取主泵的相关实验数据，即可推广到不同主泵实际的高速运行工况下，适用范围广泛，利于推广。
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 (5)

1.一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法,其特征在于，所述的优化方法包括以下步骤：
S1.搭建间隙环流试验台，测量飞轮盘面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律；
S2.将转速和阻力转矩无量纲化；
S3.拟合无量纲阻力转矩与无量纲转速的函数关系；
S4.保持飞轮的转动惯量不变，建立飞轮半径与高度的关系模型；
S5.利用步骤S2中无量纲化后的飞轮柱面转速、飞轮柱面的阻力转矩、飞轮盘面转速、飞轮盘面的阻力转矩，分别计算额定转速下不同飞轮高度对应的飞轮柱面和飞轮盘面的阻力转矩；
S6.按照步骤S5中计算出的数据，建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系，将飞轮柱面的阻力转矩和飞轮盘面的阻力转矩相加为总阻力转矩，在总阻力转矩最小时对应的高度尺寸即为屏蔽电机主泵能耗最小时的最优外形尺寸，从而得到飞轮的最优高度h′；
S7.根据步骤S4中飞轮半径与高度的关系模型，代入最优高度h′,得到飞轮的最优半径r′，从而得出当飞轮的转动惯量不变时飞轮的最优外形尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法，其特征在于，所述将转速和阻力转矩无量纲化为：
飞轮柱面转速无量纲为：
Figure FDA0002631294610000011
飞轮柱面的阻力转矩无量纲为：
Figure FDA0002631294610000012
飞轮盘面转速无量纲为：
Figure FDA0002631294610000013
飞轮盘面的阻力转矩无量纲为：
Figure FDA0002631294610000021
其中，ω为飞轮角速度，r为飞轮半径，d为柱面间隙尺寸，υ为间隙流体的运动速度，T柱为柱面阻力转矩，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度,a为飞轮盘面间隙高度,T盘为盘面阻力转矩。
3.根据权利要求2所述的一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法，其特征在于，所述拟合无量纲阻力转矩与无量纲转速的函数关系为：
G柱＝0.009Ta 0.39
G盘＝0.065Re -0.2。
4.根据权利要求1所述的一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法，其特征在于，所述拟合无量纲阻力转矩与无量纲转速的函数关系采用最小二乘法拟合计算。
5.根据权利要求1所述的一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法，其特征在于，所述的飞轮为同心圆柱体，其转动惯量为0.5m(r2-ri 2),其中，m为飞轮质量，r为飞轮半径，ri为飞轮与转轴配合安装孔内径，假设所需转动惯量为C，保持飞轮转动惯量不变，得到飞轮半径与高度的关系模型为：
Figure FDA0002631294610000022
其中，h为飞轮高度，ρ为间隙流体密度。
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