CN111517120A - 一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，包括：泵的主体、端面、速度调节室、螺旋叶片的开孔设计、泵体的氦气管道设计。其中，所述泵的主体包括：颗粒流进口、颗粒流出口、盖板面、转动电机、氦气进口和螺旋叶片；所述的螺旋叶片采用开孔设计且具备抗磁性，通入的氦气从设计的通气小孔进入泵内，高速流动的氦气将颗粒小球吹入轮毂面，颗粒将获得更大的加速半径，能够被更好的加速，同时防止颗粒的堵塞。速度调节室的反向通气设计，可以给颗粒减速，离开速度调节室的颗粒速度下降而流量不变，则流出调节室的颗粒填充因子将提高。

Description

一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵

技术领域

本发明涉及热核聚变堆包层技术领域，尤其涉及一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵。

背景技术

现有的CFETR包层方案采取固态球床形式进行氚增殖以及中子倍增，由于颗粒系统内颗粒间的接触处于亚稳定状态，因而来自外界的各种形式的扰动很容易使颗粒产生运动从而改变颗粒材料的整体状态，进而改变系统的其它性质。而最新论文指出在一定条件下颗粒材料的带热能力不亚于水以及活细胞，在CFETR的工程设计方案主要采用水冷和氦气两种包层方案，未来的聚变堆包层颗粒流的冷却方案将有可能成为一项重要选项。而聚变堆包层目前的氚增殖剂以及中子倍增剂就是采用颗粒球床的方式，基于现有的模拟发现是否可以综合考虑，二者合一构建一个颗粒流包层方案成为未来聚变堆的一项关键技术。

颗粒流动力学中有非常多的前沿课题亟待解决，其中突出的有描述多颗粒相互作用和非规则形状颗粒的新理论模型和方法研究；颗粒从慢流到快流转变的机理研究；不同颗粒的混合和偏析的试验和机理研究；振动颗粒材料中的表面波和内部输运的试验和理论研究等等。近来，人们还在试验中发现了颗粒流和颗粒材料行为的许多复杂现象，例如流动中的分层、微结构和混沌等。由于聚变堆包层要实现氚增殖以及中子倍增，对颗粒球床的填充率要求极高，在形成稳定颗粒流回路的同时如何保证颗粒的填充率达到较高的水平是亟待研究的课题。

为了进一步在实验中探究颗粒流流动的相关性质，及实现将颗粒流送入热核聚变球床，并使颗粒流形成稳定运动的回路并到达合适的填充率，对颗粒流泵提出了很高的要求，而现有的泵并不能满足输运离散的颗粒的基本要求。目前在ADS(加速器驱动的次临界堆)利用自重力循环进行颗粒输运来实现靶散热的预研，还没有进行针对性泵的设计，且ADS和聚变堆对颗粒的要求不同，而由于颗粒流的独特运动性质，普通的泵体无法满足颗粒流输运的需求，因此针对颗粒流在聚变堆的性质，需要设计有其特点的泵。此泵有别于其它泵的特点有三点：1、具有抗磁性；2具有对颗粒防止堵塞的功能；3、出口能够有效提高颗粒的填充因子。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，作为对热核聚变领域及其他需要对颗粒流进行输运的领域的一个补充。本发明主要解决如下三个技术问题：1)如何避免颗粒流在泵体内堵塞；2)如何减少颗粒流颗粒对泵体扇叶的损伤；3)如何提高输出颗粒流的填充率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，包括颗粒流入口1、颗粒流出口2、盖板面3、颗粒流出口管道4、氦气通气口5、转动电机6、速度调节室7、调节室颗粒流进口8、调节室颗粒流出口9、反向通气口10、螺旋叶片和外壳；颗粒由颗粒流入口1进入泵体，在泵体中被螺旋叶片加速，高速的颗粒从颗粒流出口2离开泵体，颗粒通过泵体内管道的输运，进入速度调节室7，速度调节室7有四个反向通气口，通入氦气能够控制颗粒流速，出口降低流速，从而提高颗粒的填充因子；

该泵的螺旋叶片包括：轮毂端面11、轮缘面12、叶轮吸力面13、气孔开孔面14、叶轮压力面15、轮毂面16和螺旋式泵叶17；颗粒进入泵体后，由叶轮吸力面13的螺旋作用吸入泵体的离心段，离心段旋转半径大，颗粒可以被有效的加速，同时通过气孔开孔面14向泵内通入氦气，将颗粒吹向叶轮吸力面13，可以有效避免颗粒聚集在轮毂面16，既可以避免颗粒的堵塞，又可以使颗粒被叶轮吸力面13所加速；

该泵的外壳形状包括颗粒流入口1、盖板面3、颗粒流出口管道4、泵体进气管道18、蜗壳端面19、口环端面20；从泵体进气管道通入氦气，氦气从轮毂面的气体开孔处进入泵体内部。

进一步地，泵体采用反向氦气通气设计，通过该设计，氦气不仅能够在聚变反应堆中对增殖的氚进行吹扫，氦气能够控制颗粒流的关键参数。

进一步地，螺旋扇叶的轮毂面采用密集开孔通气面设计，由泵体进气管道通入的氦气从开孔面进入，由开孔面进入的氦气可以避免小颗粒堆积在轮毂面造成堵塞，控制通入氦气的压力，压力可以将颗粒吹向叶轮压力面，使颗粒的加速半径变大，从而泵体可以有更好的加速效果。

进一步地，速度调节室的设计，一般的泵体在颗粒泵后便进入管道进行输运，但在核反应堆中，颗粒小球的填充因子对反应堆的平稳运行有着重要的影响，在颗粒离开泵体之后利用速度调节室，通过向颗粒运行方向反向通气，使得颗粒离开速度调节室后速度有所下降，进入速度调节室的颗粒速度大于离开调节室的颗粒速度，颗粒的速度下降而流量不变，因此颗粒的填充率上升。

由本发明提供的技术方案可以看出，总体设计采用螺旋离心泵设计方案，采用特殊的三维螺旋叶片，该螺旋叶片具有抗磁性；同时在轮毂面上开密集的小孔，并通入适量的氦气形成一层气膜，减小颗粒流粒子与轮毂面的摩擦，由此达到减小堵塞的效果来提高内侧粒子的运动速率以避免堵塞；在泵外增加速率调节室用以将填充率调节至实用范围；速率调节器的设计采用反向通入氦气的设计，减小前端粒子的速率，提高颗粒流的填充率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵的泵体外观示意图；

图2为本发明实施例提供用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵的速率调节室的示意图；

图3为本发明实施例提供用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵的三维螺旋叶片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵的泵体外壳示意图。

图中，1为颗粒流入口；2为颗粒流出口；3为盖板面；4为颗粒流出口管道；5为氦气通气口；6为转动电机；7为速度调节室；8为颗粒流进口；9为颗粒流出口；10为反向通气口；11为轮毂端面；12为轮缘面；13为叶轮吸力面；14为气孔开孔面；15为叶轮压力面；16为轮毂面；17为螺旋式泵叶；18为泵体进气管道；19为蜗壳端面；20为口环端面。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

如图1-2所示，该泵的主体设计包括：颗粒流入口1、颗粒流出口2、盖板面3、颗粒流出口管道4、氦气通气口5、转动电机6、速度调节室7、颗粒流进口8、颗粒流出口9、反向通气口10。颗粒由颗粒流入口1进入泵体，在泵体中被螺旋叶片加速，高速的颗粒从颗粒流出口2离开泵体，颗粒经过颗粒流出口管道4的输运，进入速度调节室7，速度调节室7设计有四个反向通气口10，通入氦气是颗粒流适当减速，从而来提高颗粒的填充率。

如图3所示，该泵的三维螺旋叶片设计：轮毂端面11、轮缘面12、叶轮吸力面13、气孔开孔面14、叶轮压力面15、轮毂面16、螺旋式泵叶17。颗粒进入泵体后，由叶轮吸力面13的螺旋作用吸入泵体的离心段，螺旋式泵叶17的离心段旋转半径大，颗粒可以被有效的加速，同时通过气孔开孔面14向泵内通入氦气，将颗粒吹向叶轮压力面15，可以有效避免颗粒聚集在轮毂面16，既可以避免颗粒的堵塞，又可以使颗粒被叶轮压力面15所加速。

如图4所示，该泵的外壳形状：颗粒流入口1、盖板面3、颗粒流出口管道4、蜗壳端面6、泵体进气管道18、蜗壳端面19、口环端面20。颗粒由颗粒流入口1进入泵体，在泵中被加速，从泵体进气管道通入氦气，氦气从轮毂面16的气体开孔处进入泵体内部。

以上为本发明实施例提供的用于热核聚变固态球床输运粒子的新型泵的组成结构，为了便于理解，下面针对其原理进行详细的说明。

本发明实施例所提供的上述测量平台主要解决如下三个技术问题：1)如何避免颗粒流在泵体内堵塞；2)如何减少颗粒流颗粒对泵体扇叶的损伤；3)如何提高输出颗粒流的填充率。

1)针对问题1)，现有的常用于运输固体物质的泵体有离心泵，容积泵等，螺旋式离心泵通过其特殊的三维螺旋叶片，将螺旋的容积推进作用和叶片离心作用结合，使介质获得能量，所以它兼有容积泵和叶片泵的特性，是二者相互结合的产物。对于螺旋式离心泵，从叶轮吸入口到泵出口，所有截面的面积均不小于泵的入口面积，且截面无突变，可以通过炮弹状的颗粒物质。但现有的螺旋式离心泵都是运输较大的物体，如石块，沙砾。大型的物体可以直接受到叶片的推力作用，不易发生堵塞。但聚变堆所需增殖剂以及中子倍增剂颗粒流系统的体积较小，颗粒直径在1mm左右，当颗粒流的填充因子较大时，螺旋叶片内侧，靠近螺旋转轴的的粒子不直接与外叶片接触，受到推力较小，利用现有的泵的结构容易发生堵塞，不能很好的对产氚进行吹扫从而有效利用氚，现有的泵不能满足聚变堆的要求必须做出结构改进。对此的解决方案是：在叶轮的锥形部分靠近转轴处设计一些通气小孔，由螺旋泵底部向小孔通气，在靠近螺旋转轴处形成一层气膜，减小颗粒流粒子与内壁的摩擦，使其主要受到叶片外侧的带动作用，由此达到减小堵塞的效果。

2)针对问题2)，颗粒流在高速旋转的叶轮作用下被吸入泵腔，叶轮由螺旋段和离心段两部分组成，螺旋部分提供一个正向的位移推力，此力在轴向的延伸处形成一种弯转的分力，使入口处的颗粒流沿着叶轮的切线方向而不是与叶轮成直角作用下被吸人泵腔，螺旋部分的轴向推力使颗粒流平稳前进，直至离心部分，再由离心部分推送从出口排出。

3)针对问题3)，在实际应用中，如聚变反应堆中颗粒流的填充因子对氚是否增殖有巨大影响，因此尽可能提高填充因子对聚变堆稳定运行具有重要意义。在运行过程中泵内的填充率可维持在一个较低的数值，与此同时在颗粒离开泵后进入速率调节室，流量不变速度降低从而填充率升高。速率调节室是通过反向通气的方式实现对速率的调节。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，其特征在于，包括颗粒流入口(1)、颗粒流出口(2)、盖板面(3)、颗粒流出口管道(4)、氦气通气口(5)、转动电机(6)、速度调节室(7)、调节室颗粒流进口(8)、调节室颗粒流出口(9)、反向通气口(10)、螺旋叶片和外壳；颗粒由颗粒流入口(1)进入泵体，在泵体中被螺旋叶片加速，高速的颗粒从颗粒流出口(2)离开泵体，颗粒通过泵体内管道的输运，进入速度调节室(7)，速度调节室(7)有四个反向通气口，通入氦气能够控制颗粒流速，出口降低流速，从而提高颗粒的填充因子；

该泵的螺旋叶片包括：轮毂端面(11)、轮缘面(12)、叶轮吸力面(13)、气孔开孔面(14)、叶轮压力面(15)、轮毂面(16)和螺旋式泵叶(17)；颗粒进入泵体后，由叶轮吸力面(13)的螺旋作用吸入泵体的离心段，离心段旋转半径大，颗粒可以被有效的加速，同时通过气孔开孔面(14)向泵内通入氦气，将颗粒吹向叶轮吸力面(13)，可以有效避免颗粒聚集在轮毂面(16)，既可以避免颗粒的堵塞，又可以使颗粒被叶轮吸力面(13)所加速；

该泵的外壳形状包括颗粒流入口(1)、盖板面(3)、颗粒流出口管道(4)、泵体进气管道(18)、蜗壳端面(19)、口环端面(20)；从泵体进气管道通入氦气，氦气从轮毂面的气体开孔处进入泵体内部。

2.根据权利要求1所述的用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，其特征在于：泵体采用反向氦气通气设计，通过该设计，氦气不仅能够在聚变反应堆中对增殖的氚进行吹扫，氦气能够控制颗粒流的关键参数。

3.根据权利要求1所述的用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，其特征在于：螺旋扇叶的轮毂面采用密集开孔通气面设计，由泵体进气管道通入的氦气从开孔面进入，由开孔面进入的氦气可以避免小颗粒堆积在轮毂面造成堵塞，控制通入氦气的压力，压力可以将颗粒吹向叶轮压力面，使颗粒的加速半径变大，从而泵体可以有更好的加速效果。

4.根据权利要求1所述的用于热核聚变固态球床颗粒输运的加速泵，其特征在于：速度调节室的设计，一般的泵体在颗粒泵后便进入管道进行输运，但在核反应堆中，颗粒小球的填充因子对反应堆的平稳运行有着重要的影响，在颗粒离开泵体之后利用速度调节室，通过向颗粒运行方向反向通气，使得颗粒离开速度调节室后速度有所下降，进入速度调节室的颗粒速度大于离开调节室的颗粒速度，颗粒的速度下降而流量不变，因此颗粒的填充率上升。

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