CN112083185A - 一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统 - Google Patents

一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统，包括设置在液态金属泵的泵轴和泵壳上的磁场生成系统、设置在液态金属泵的泵叶片表面处的探针阵列，通过与探针阵列通过导电金属丝与泵轴中的输出信号线连接，输出信号线与电势采集系统连接，电势采集系统与转换器连接，转换器输出液态金属在整个叶片表面上的相对流速。该测量系统可以实现对液态金属泵叶片上流体相对流速的精确测量。本发明克服了液态金属动态系统流速难以测量的难点，可用于液态金属对壁面材料腐蚀速率的研究。

Description

一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统
技术领域
本发明属于流速测量技术领域，尤其涉及一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统。
背景技术
液态金属由于其良好的导热特性等优点，被用作反应堆的冷却剂材料，目前国内外针对小型模块化快堆的研究主要集中于固定式反应堆的概念设计，一回路大多采用自然循环，为满足自然循环所需压差，无法满足核电源反应堆移动式运行对尺寸紧凑性的要求。为了解决这一问题，目前广泛使用主循环泵驱动一回路冷却剂循环运动。主循环泵起到给冷却剂增压的作用，以满足设备的运行要求。
一些液态金属在流动时会对主泵的壁面材料有一定的腐蚀作用，如铅铋合金。铅铋合金与泵体壁面材料长期接触时，Fe等元素会溶解于铅基冷却剂中，从而使也叶片遭受较强的腐蚀作用，腐蚀的速率与液态金属和壁面之间的相对流速有关。液态金属的流速越大，对壁面材料的腐蚀速率也就越大。为了研究液态金属对壁面材料的腐蚀作用，就需要测量其在叶片表面处的相对流速，并结合实验，研究出相对流速和腐蚀速率之间的关系。
由于液态金属的不透明性和较高的温度，许多传统的流速测量方法都无法使用或者不能取得良好的效果。一些简单的测量液态金属流速的方法由于精度较低而且容易受到外界条件的干扰，往往不能满足实验的要求。近些年新出现的测量液态金属流速的方法，如温度相关性方法，不能很方便的测量出叶片旋转时液态金属在叶片表面处的相对流速。因为循环回路中的液态金属温度较高，加热的电阻丝难以使流体的温度有明显的变化。
目前已有的专利，如申请公布号为CN 110794164 A，名称为强磁场下液态金属速度场高时空精度的测量系统及方法。该系统不适用于运动结构设备内液态金属流速的测量，难以运用到不断旋转的泵叶片中，在外部的强磁场下，叶片旋转时切割磁感线会对测量造成影响，使测量难以进行。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统，基于电磁感应原理，通过采集电势探针上产生的电势信号，得到液态金属与泵叶片之间的相对流速信息。设计磁场生成系统、探针的排布方式、电势信号的采集方式及数据的处理方法等，提供研究液态金属对泵叶片腐蚀速率的影响的方案。
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统，包括设置在液态金属泵的泵轴1-1和泵壳1-2上的磁场生成系统、设置在液态金属泵的泵叶片1-9表面处的探针阵列1-8，通过与探针阵列1-8连接的导电金属丝1-4以及泵轴1-1中的输出信号线1-5连接的位于液态金属泵外的电势采集系统1-6，与电势采集系统1-6连接的转换器1-7；
所述泵轴1-1包括泵轴外壳2-4和泵轴中心层2-7；所述磁场生成系统包括固定设置在泵轴外壳2-4与泵轴中心层2-7间的内环形磁铁2-5和内环磁屏蔽层2-6，其中内环磁屏蔽层2-6与泵轴中心层2-7接触位于内环形磁铁2-5内部；所述磁场生成系统还包括固定设置在泵壳1-2外部的外环形磁铁2-2以及设置在外环形磁铁2-2外部的外环磁屏蔽层2-1；
所述泵叶片1-9安装在泵轴外壳2-4上，探针阵列1-8分布在泵叶片1-9的不同空间位置上，以此来测量叶片上不同空间位置处液态金属与泵叶片之间的相对流速；
当泵轴1-1转动时，内环形磁铁2-5会跟随泵轴1-1一同旋转，外环形磁铁2-2固定在泵壳1-2外，泵壳1-2外还会安装环形马达及其固定装置，环形马达保持和泵轴1-1相同的转速运行，使外环形磁铁2-2和内环形磁铁2-5保持相对静止，从而使得生成的磁场与泵叶片1-9保持相对静止；泵叶片1-9安装在泵轴外壳2-4上，位于泵轴外壳2-4和泵壳1-2之间，相对静止的磁场和泵叶片1-9将运动的泵叶片表面处流速测量转换成静止泵叶片表面处的流速测量；内环形磁铁2-5内包裹着内环磁屏蔽层2-6，外环形磁铁2-2外包裹着外环磁屏蔽层2-1，使得内外环形磁铁生成的磁场的磁力线方向沿着泵轴的径向，同时也防止外部磁场对测量过程的影响；
所述电势采集系统1-6通过输出信号线1-5与不同泵叶片1-9上的探针阵列1-8相连，采集、储存电势信号并传递到转换器1-7中；所述转换器1-7将收到的电势信号转换为液态金属与泵叶片之间的相对流速。
所述内环磁屏蔽层2-6和外环磁屏蔽层2-1采用由高磁导率的铁磁材料制成的薄层。
所述探针阵列1-8中每个探针置于每个泵叶片上预加工的微孔中，并从叶片表面伸出0.5-1mm，探针除了尖端之外均包裹绝缘材料，仅探针的尖端与液态金属流体有电接触，探针两两配对组成电势信号的正负极；当一组探针之间的间距足够小时，认为测量的是一个局部点的流速信息；探针之间的间距为0.5mm-1mm；每个泵叶片上预加工的微孔中填充有绝缘材料以保证液态金属流体与泵叶片壁面无电接触。
所述输出信号线1-5安装于泵轴中心的直径为1-2mm的微型通道中，保证了输出信号线1-5与液态金属没有接触，输出信号线1-5汇集探针尖端产生的电势信号并传递到电势采集系统1-6。
所述导电金属丝1-4外部包裹着绝缘材料，通过泵叶片1-9中预加工的细小通道与探针相连。
所述转换器1-7将收到的电势信号转换为液态金属与泵叶片之间的相对流速的具体方法如下：
由欧姆定律可知，液态金属在磁场中流动时遵循下述定律：
j＝σ(E+v×Bm)
其中，j为电流密度，σ为金属的导电率，E为电势，v为液态金属的流速，Bm为测量磁场的磁通密度；在电流密度j为0的情况下，令
Figure BDA0002668607540000051
Figure BDA0002668607540000052
为探针尖端产生的电势差，上式简化为
Figure BDA0002668607540000053
设探针尖端之间的间距为
Figure BDA0002668607540000054
且方向垂直于外加磁场的方向，则液态金属的流速由下式得出：
Figure BDA0002668607540000055
因此，在已知
Figure BDA0002668607540000056
和Bm的值后，只需要测量出探针尖端之间的电势
Figure BDA0002668607540000057
即能够得到液态金属的流速。
与现有发明相比，本发明的有益效果为：
本发明适用于高温环境，可用于运动结构设备内液态金属相对流速测量，可以直接获取液态金属与泵叶片之间的相对流速信息。
方案中的探针成本低、体积小，对液态金属流动的影响可以忽略，有比较高的精度，可以测量局部点的相对流速，通过布置探针的空间排布方式可以测量出整个叶片壁面处液态金属的相对速度分布。
附图说明
图1是测量系统整体布置图。
其中，1-1泵轴，1-2泵壳，1-3磁场生成系统，1-4导电金属丝，1-5输出信号线，1-6电势采集系统，1-7转换器，1-8探针阵列，1-9泵叶片。
图2是磁场生成系统的示意图。
其中，2-1外环磁屏蔽层，2-2外环形磁铁，1-2泵壳，2-4泵轴外壳，2-5内环形磁铁，2-6内环磁屏蔽层，2-7泵轴中心层。
具体实施方式
以铅铋合金快堆回路上的主泵为例，结合附图进一步说明本发明的实施方案。
由于液态金属泵每一片叶片形状都一致，通过在不同的泵叶片的不同空间位置布置探针阵列，将探针分散在不同的泵叶片上，就可以测量出一片泵叶片整个壁面上铅铋合金与叶片之间的相对流速。
如图1所示，本发明一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统，其特征在于，包括设置在液态金属泵的泵轴1-1和泵壳1-2上的磁场生成系统、设置在液态金属泵的泵叶片1-9表面处的探针阵列1-8，通过与探针阵列1-8连接的导电金属丝1-4以及泵轴1-1中的输出信号线1-5连接的位于液态金属泵外的电势采集系统1-6，与电势采集系统1-6连接的转换器1-7。
如图2所示，所述泵轴1-1包括泵轴外壳2-4和泵轴中心层2-7；所述磁场生成系统包括固定设置在泵轴外壳2-4与泵轴中心层2-7间的内环形磁铁2-5和内环磁屏蔽层2-6，其中内环磁屏蔽层2-6与泵轴中心层2-7接触位于内环形磁铁2-5内部；所述磁场生成系统还包括固定设置在泵壳1-2外部的外环形磁铁2-2以及设置在外环形磁铁2-2外部的外环磁屏蔽层2-1。
探针阵列1-8中每个探针置于泵叶片上预加工的圆形微孔中，并从叶片表面伸出0.5-1mm，探针除了尖端之外均包裹绝缘材料，仅探针的尖端与液态金属流体有电接触，探针两两配对组成电势信号的正负极；当一组探针之间的间距足够小时，可以认为测量的是一个局部点的流速信息。同时，探针之间的间距不能太小，否则会使得探针尖端的电势难以测量。探针之间的间距可以取在0.5mm-1mm。所述微孔填充有绝缘材料以保证流体与叶片壁面无电接触。
如图1所示，探针阵列1-8中的探针的另一头连接的所有的用于传输电势信号的导电金属丝1-4都通过叶片1-9内的微型通道直接连接到泵轴1-1中的输出信号线1-5上，不与铅铋合金发生接触，并最终与电势采集系统1-6连接，电势采集系统采集并储存信号，之后将信号发送到转换器1-7中，转换器1-7将电势信号转换成液态金属与泵叶片之间的相对流速。
如图2所示，以永磁铁为例说明。内环形磁铁2-5固定在泵轴外壳2-4内壁上，当泵轴1-1转动时，内环形磁铁2-5会跟随泵轴1-1一同旋转。外环形磁铁2-2固定在泵壳1-2外，泵壳1-2外还会安装环形马达及其固定装置，环形马达保持和泵轴1-1相同的转速运行，使外环形磁铁2-2和内环形磁铁2-5保持相对静止，从而使得生成的磁场与泵叶片1-9保持相对静止。泵叶片1-9安装在泵轴外壳2-4上，位于泵轴外壳2-4和泵壳1-2之间。内环形磁铁2-5除外表面外都包裹着内环磁屏蔽层2-6，外环形磁铁2-2除内表面外包裹着外环磁屏蔽层2-1，内环磁屏蔽层2-6和外磁屏蔽层2-1可以选择由高磁导率的铁磁材料制成的薄层，使得外环形磁铁2-2和内环形磁铁2-5生成的磁场的磁力线方向沿着泵轴的径向，同时也可以防止外部磁场对测量过程的影响。
采集到的电势信号，转换成相对流速的方法，具体如下：
由欧姆定律可知，液态金属在磁场中流动时遵循下述定律：
j＝σ(E+v×Bm)
其中，j为电流密度，σ为金属的导电率，E为电势，v为液态金属的流速，Bm为测量磁场的磁通密度。在电流密度j为0的情况下，令
Figure BDA0002668607540000081
Figure BDA0002668607540000082
为探针尖端产生的电势差，上式可以简化为
Figure BDA0002668607540000083
设探针尖端之间的间距为
Figure BDA0002668607540000084
且方向垂直于外加磁场的方向，则液态金属的流速可由下式得出：
Figure BDA0002668607540000085
因此，在已知
Figure BDA0002668607540000086
和Bm的值后，只需要测量出探针尖端之间的电势
Figure BDA0002668607540000087
即可得到液态金属的流速。
本实施例实验系统进行腐蚀速率实验时，主要包括安装测试系统、调试实验回路、采集电势信号、观察叶片腐蚀程度几个步骤。
安装测试系统
先将提前加工好的泵叶片与探针、导电金属丝连接好，将导电金属丝汇集到泵轴中的输出信号线1-5上，并将输出信号线1-5连接到电势采集系统1-6中，将电势采集系统1-6与转换器1-7连接。然后安装环形磁铁、磁屏蔽层及保护壳。
调试实验回路
启动铅铋泵电机，使回路中的液态铅铋合金在高温铅铋泵的带动下循环流动，启动加热段，观察加热段前后和铅铋泵前后的温度情况，等待达到实验要求并保持稳定。启动环形马达，调整环形马达的转速与泵轴1-1一致。
采集电势信号
待回路调试完成后，接通电势采集系统1-6和转换器1-7的电源，采集探针尖端产生的电势信号，并多次采集电势信号以降低误差。将采集到的电势信号通过输出信号线1-5传输到电势采集系统1-6，由电势采集系统1-6整理和储存信号，最终传输到转换器1-7中，进行数据处理输出液态铅铋的与泵叶片之间的相对流速。
观察泵叶片腐蚀程度
采集完所需的数据后，待回路停机，打开封口，将铅铋泵叶片从回路中拆卸并取出。首先用溶液将表面的铅铋合金清洗干净，然后用扫描仪扫描并记录铅铋泵叶片表面的腐蚀情况。结合采集到的相对流速信息就可以确定铅铋合金与泵叶片之间的相对流速对腐蚀速率的影响。

Claims (6)

1.一种液态金属泵叶片表面处液态金属流速测量实验系统，其特征在于，包括设置在液态金属泵的泵轴(1-1)和泵壳(1-2)上的磁场生成系统、设置在液态金属泵的泵叶片(1-9)表面处的探针阵列(1-8)，通过与探针阵列(1-8)连接的导电金属丝(1-4)以及泵轴(1-1)中的输出信号线(1-5)连接的位于液态金属泵外的电势采集系统(1-6)，与电势采集系统(1-6)连接的转换器(1-7)；
所述泵轴(1-1)包括泵轴外壳(2-4)和泵轴中心层(2-7)；所述磁场生成系统包括固定设置在泵轴外壳(2-4)与泵轴中心层(2-7)间的内环形磁铁(2-5)和内环磁屏蔽层(2-6)，其中内环磁屏蔽层(2-6)与泵轴中心层(2-7)接触位于内环形磁铁(2-5)内部；所述磁场生成系统还包括固定设置在泵壳(1-2)外部的外环形磁铁(2-2)以及设置在外环形磁铁(2-2)外部的外环磁屏蔽层(2-1)；
所述泵叶片(1-9)安装在泵轴外壳(2-4)上，探针阵列(1-8)分布在泵叶片(1-9)的不同空间位置上，以此来测量叶片上不同空间位置处液态金属与泵叶片之间的相对流速；
当泵轴(1-1)转动时，内环形磁铁(2-5)会跟随泵轴(1-1)一同旋转，外环形磁铁(2-2)固定在泵壳(1-2)外，泵壳(1-2)外还会安装环形马达及其固定装置，环形马达保持和泵轴(1-1)相同的转速运行，使外环形磁铁(2-2)和内环形磁铁(2-5)保持相对静止，从而使得生成的磁场与泵叶片(1-9)保持相对静止；泵叶片(1-9)安装在泵轴外壳(2-4)上，位于泵轴外壳(2-4)和泵壳(1-2)之间，相对静止的磁场和泵叶片(1-9)将运动的泵叶片表面处流速测量转换成静止泵叶片表面处的流速测量；内环形磁铁(2-5)内包裹着内环磁屏蔽层(2-6)，外环形磁铁(2-2)外包裹着外环磁屏蔽层(2-1)，使得内外环形磁铁生成的磁场的磁力线方向沿着泵轴的径向，同时也防止外部磁场对测量过程的影响；
所述电势采集系统(1-6)通过输出信号线(1-5)与不同泵叶片(1-9)上的探针阵列(1-8)相连，采集、储存电势信号并传递到转换器(1-7)中；所述转换器(1-7)将收到的电势信号转换为液态金属与泵叶片之间的相对流速。
2.根据权利要求1所述的液态金属泵叶片表面处流速测量实验系统，其特征在于，所述内环磁屏蔽层(2-6)和外环磁屏蔽层(2-1)采用由高磁导率的铁磁材料制成的薄层。
3.根据权利要求1所述的液态金属泵叶片表面处流速测量实验系统，其特征在于，所述探针阵列(1-8)中每个探针置于每个泵叶片上预加工的微孔中，并从叶片表面伸出0.5-1mm，探针除了尖端之外均包裹绝缘材料，仅探针的尖端与液态金属流体有电接触，探针两两配对组成电势信号的正负极；当一组探针之间的间距足够小时，认为测量的是一个局部点的流速信息；探针之间的间距为0.5mm-1mm；每个泵叶片上预加工的微孔中填充有绝缘材料以保证液态金属流体与泵叶片壁面无电接触。
4.根据权利要求1所述的液态金属泵叶片表面处流速测量实验系统，其特征在于，所述输出信号线(1-5)安装于泵轴中心的直径为1-2mm的微型通道中，保证了输出信号线(1-5)与液态金属没有接触，输出信号线(1-5)汇集探针尖端产生的电势信号并传递到电势采集系统(1-6)。
5.根据权利要求1所述的液态金属泵叶片表面处流速测量实验系统，其特征在于，所述导电金属丝(1-4)外部包裹着绝缘材料，通过泵叶片(1-9)中预加工的细小通道与探针相连。
6.根据权利要求1所述的液态金属泵叶片表面处流速测量实验系统，其特征在于：所述转换器(1-7)将收到的电势信号转换为液态金属与泵叶片之间的相对流速的具体方法如下：
由欧姆定律可知，液态金属在磁场中流动时遵循下述定律：
j＝σ(E+v×Bm)
其中，j为电流密度，σ为金属的导电率，E为电势，v为液态金属的流速，Bm为测量磁场的磁通密度；在电流密度j为0的情况下，令
Figure FDA0002668607530000031
Figure FDA0002668607530000032
为探针尖端产生的电势差，上式简化为
Figure FDA0002668607530000033
设探针尖端之间的间距为
Figure FDA0002668607530000034
且方向垂直于外加磁场的方向，则液态金属的流速由下式得出：
Figure FDA0002668607530000035
因此，在已知
Figure FDA0002668607530000036
和Bm的值后，只需要测量出探针尖端之间的电势
Figure FDA0002668607530000037
即能够得到液态金属的流速。
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