CN113686411B - 一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统 - Google Patents

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Abstract

本发明在于提供一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，属于船用反应堆热工水力实验研究技术领域。本发明包括地坑、六自由度运动平台、实验本体、支撑架、充排水系统和管路、数据测量系统，六自由度运动平台可根据研究需要实现不同运动类型如横摇、纵摇、横荡、纵荡、垂荡、艏摇等运动及其多种运动复合运动；充排水系统和管路可实现对稳压器在实际海洋条件复合运动条件下的液位变化规律进行测量；实验装置设置有坚固的固定安装支撑装置，确保实验装置可以在较为剧烈的工况下运行；整个实验系统设置于地坑内，地坑设有储水槽，可在事故时提供一定保护；数据监测系统通过自带WiFi传输给PC端进行保存和处理。

Description

一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统
技术领域
本发明属于船用反应堆热工水力实验研究技术领域，具体涉及一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统。
背景技术
稳压器作为核动力装置中压力安全系统的主要设备，在反应堆的各种正常运行工况或者事故情况下，对一回路冷却剂压力起着调节、控制和保护作用。一回路是一个封闭的回路，其中的冷却剂体积随着堆芯功率的升高或者降低而膨胀或者收缩，进而引起稳压器中水体积的变化，而若稳压器水位过高，就有丧失压力控制能力的危险，安全阀进水而使其有可能失去作用；若其水位过低，则电加热元件将会露出水面而烧毁，因此要对稳压器内的液位进行监测，继而对其进行调节，来使水位维持在正常范围内。稳压器的水位，一般由差压式液位计来监测，通过测点的压力差值转化为液位值来进行读取。
相比于路基核电站，海上核动力设备如浮动平台堆以及舰船用反应堆受到海洋条件如风浪、潮汐、海啸等的影响，会引入摇摆、起伏、晃荡以及多种运动复合的情况。中国海域地处风浪多发的西太平洋地区，势必会经受更严重的海洋条件影响，引入附加的加速度，导致信号出现大幅度波动，从而导致压力安全系统不能够对液位变化进行正确响应，一回路的安全运行得不到保证，所以对海洋条件影响稳压器内液位波动规律的研究是很有必要的。当浮动平台或核动力舰船在海上运行时，由于受到风、海浪、洋流、地震等环境载荷的影响，稳压器的内部自由液面将产生大幅度波动，引起水平或竖直方向附加加速度，目前核动力设备内主要采用差压式液位计测量方法反馈水位信号来监测稳压器内部真实水位，该现象会导致差压测量方式测得的水位偏离实际水位，对信号的判断与控制产生不利影响；并且波动液面会频繁触发水位报警信号，造成稳压器喷淋管的淹没、电加热棒裸露等，降低反应堆安全性和经济性。因此也有必要对稳压器在液面晃荡条件下液位测量技术展开研究。通过研究复合运动条件下稳压器内液位波动规律
中国专利CN209745518U公布了一种适用于研究稳压器摇摆水位与压力波动测量实验系统。该系统由实验本体、驱动系统、液位测量系统、压力采集系统及连接支撑件五个部分组成。实验驱动机构为单自由度摇摆实验台，实验本体为稳压器缩比模型，其底部安装有贴片式的压力传感器，可以在不干扰流场的条件下实现压力波动的精确测量。但其仅能研究横摇运动条件下的稳压器液位测量及晃荡特性，并且周期及幅值选择较少，且仅能研究固定水装量条件下的稳压器液位测量及晃荡特性，难以推广至复合运动条件下实堆运行时的稳压器液位测量研究。
又如中国专利CN209820738U一种适用于研究稳压器横荡水位与压力波动测量实验系统。与上段所述专利相似，该专利所述实验系统仅能研究单自由度横荡条件下容器内液面晃荡特性，且行程较短载重较低。
以上两种装置均难以推广到实际复杂海况下大型容器的自由液面波动规律研究；且由于只能使用缩比后的小型容器，体积较小的情况下难以使用雷达液位计等其他液位测量仪表；也没有考虑充排水等水装量变化情况下的液位测量研究；且需使用有线采集系统采集各种信号，在运动条件下可能会有缠线或拖拽等危险情况发生。
发明内容
发明的目的在于提供一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统。
本发明的目的是这样实现的：
一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统包括：地坑、六自由度运动平台、实验本体、支撑架、充排水系统和管路、数据测量系统，所述六自由度运动平台位于地坑内，包括平台底座、驱动电缸和下铰接键、驱动杆、上平台、上铰接键，驱动杆下端与平台底座通过驱动电缸铰接连接，驱动杆上端与上平台通过铰接连接，上平台上放置有支撑架，所述支撑架包括支撑底板、支撑柱、顶部支撑板、侧方支撑装置，实验本体包括稳压器模型本体、充水阀门及管路、排水阀门及管路、排气口,稳压器模型本体位于支撑架的支撑板上，稳压器模型本体与支撑架的支撑柱之间设有侧方支撑装置，稳压器模型本体、下方左右两侧设有充水阀门及管路及排水阀门及管路、上方设有排气口，充水阀门安装在试验本体下方与充水系统连接，所述充水系统包括依次连接的充水箱、充水箱阀门、充水泵、充水硬管、充水软管，充水软管与充水阀相连接，排水阀门安装在试验本体下方的另一侧与排水系统连接，所述排水系统包括依次连接的排水箱、排水箱阀门、排水泵、排水硬管、排水软管，排水软管与排水阀相连接，所述数据测量系统包括姿态传感器、雷达液位计本体、雷达液位计导波杆、微型水工压力传感器、连接线缆、通用信号无线采集分析系统、PC端，支撑架的顶部支撑板上放置有数据测量系统的姿态传感器、雷达液位计本体、连接线缆、通用信号无线采集分析系统，雷达液位计导波杆与雷达液位计本体连接是一个整体，微型水工压力传感器置于雷达液位计导波杆底部，通用信号无线采集分析系统通过wifi把数据传输到pc端。
本发明还可以包括：
1、所述地坑包括地坑壁面、低位紧急储水槽、加固地基，低位紧急出水槽位于地坑最底部，地脚螺栓连接加固地基和平台底座。
2、所述冲水泵和排水泵均为变频水泵。
本发明的有益效果是：
1、本发明实验系统可实现实验系统横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡等运动以及各运动复合激励，使用电缸进行驱动也可使运动激励精确且选择性较为连续。
2、本发明同时使用差压法和雷达法测量稳压器液位变化规律，及研究不同测量方法的相应特性，因使用原比例尺寸稳压器模型，较大的空间裕度可使用更多种类和数量的测量仪器仪表。
3、本发明可搭载原比例尺寸稳压器等大型容器，研究过程可不经过比例模化及流固耦合计算等非常复杂且耗费资源的过程。
4、本发明使用通用无线采集系统，运动部和地面部无线缆连接，避免运动部和实验部之间的线缆出现缠线和拖拽造成的危险。
5、本发明所述实验装置设置有坚固的固定安装支撑装置，确保实验装置可以在较为剧烈的工况下运行，整个实验系统设置于地坑内，地坑设有储水槽，可在事故时提供一定保护。
附图说明
图1为本发明实验系统整体示意图；
图2为本发明实验本体、管路及附属装置示意图；
图3为本发明数据测量系统示意图；
图4为本发明信号传输示意图。
具体实施方式
根据图1，六自由度运动平台由主要由平台底座1-1、驱动电缸和下铰接键1-2、驱动杆1-3、上平台1-4、上铰接键1-5等组成。平台底座1-1与地坑加固地基5-3之间以地脚螺栓连接，六自由度运动平台主要通过驱动电缸1-2驱动驱动杆1-3，上铰接键1-5和下铰接键1-2分别以铰连接上平台1-4和平台底座1-1，提供运动自由度，上平台用以承载实验系统，以上共同为实验系统施加各种类型的激励，包括横摇、纵摇、横荡、纵荡、垂荡、艏摇等运动及其多种运动复合运动。六自由度运动平台主要给实验系统施加各种类型的激励，载重量、驱动杆行程、平台材质、上下平台形状等根据实验具体要求加工定制，运动周期、幅值等依据实际实验情况进行确定，平台由配套PC端或者控制柜控制，具体形式依据实验要求确定。
根据图2，所述实验本体主要由稳压器模型本体2-1、充水阀门及管路2-2、排水阀门及管路2-3、排气口2-4组成，实验本体主要用来模拟稳压器等容器作为实验研究对象，一般为实际容器1:1模型制作，也可根据实际情况进行缩比，稳压器模型本体2-1由具体实验要求确定，其材质可为亚克力、不锈钢等，若实验要求可视化则使用亚克力材料，无论使用何种材料均需经过校算方可进行实验，充水阀门及管路2-2于排水阀门及管路2-3连接稳压器模型本体2-1的底部，其规格一致，均由DN50的PVC管及阀门组成，以PVC胶水粘接，具体规格或连接方式可由实验要求灵活变动，排气口2-4连通大气，平衡内外气压，使测得压力值始终为参考当地大气压的相对值，实验本体与平台及支撑架主要依靠抗拉螺栓连接，也可根据具体实验要求使用点焊，应确保实验本体本身强度以及与支撑架和六自由度平台间的连接强度。
根据图2，所述支撑架主要由支撑底板3-1、支撑柱3-2、顶部支撑板3-3、侧方支撑装置3-4等组成，支撑底板3-1可用10mm厚不锈钢板制作，上方紧贴稳压器模型本体2-1底部，下方紧贴上平台1-4，用以平摊压力，之间用高规格抗拉螺栓连接，支撑柱3-2使用C型钢或工字钢等稳定性较好的材料，用以支撑顶部支撑板3-3及侧方支撑装置3-4，支撑柱3-2应插入顶部支撑板3-3和支撑底板3-1，再进行焊接或者螺栓连接以保证牢固性，顶部支撑板3-3由铝合金架组成，用以承托数据测量系统部分装置，之间用螺栓连接，侧方支撑装置3-4可用角铁、铝型材等材料，用以侧向支撑稳压器模型本体，之间无固定连接。
根据图3，数据测量系统主要由姿态传感器4-1、雷达液位计本体4-2、雷达液位计导波杆4-3、微型水工压力传感器4-4、连接线缆4-5、通用信号无线采集分析系统4-6、PC端4-7等组成，用以获得实验所需数据，姿态传感器4-1包括陀螺仪、加速度计等姿态测量仪表构成，用以测量与其同步运动的稳压器模型本体2-1的运动角度、角速度、角加速度、线速度、线加速度等参数。雷达液位计本体4-2及雷达液位计导波杆4-3一体，用以得到雷达液位计的响应特性及获得液位测量结果，雷达液位计量程应根据稳压器具体尺寸确定，响应时间应尽量接近0s，与稳压器模型本体2-1之间应无接触，因此雷达液位计导波杆4-3应外置配套管，隔绝雷达液位计导波杆4-3和稳压器模型本体2-1，微型水工压力传感器4-4测量雷达液位计导波杆4-3底部相应位置压力，以差压法获得相同位置液位用以得到差压法响应特性及液位测量结果，微型水工压力传感器4-4探头应为螺纹式，长度与所测容器壁厚一致，保证安装后探头严格与内壁面持平，之间应有生料带或橡胶密封圈进行密封，连接线缆4-5为示意图，实际用来给各种仪器供电以及传输数据，通用信号无线采集分析系统4-6获得压力数据及雷达液位数据，通过自带WiFi传输给PC端4-7进行保存和处理，因此应保证实验场所无较强信号干扰。
根据图1，地坑主要由地坑壁面5-1、低位紧急储水槽5-2、加固地基5-3等组成，用以包容六自由度运动平台，保证事故时台架倒塌影响面积不大，地坑壁面5-1深度应刚好使六自由度运动平台处于地坑中，确保人员方便登上平台操作，低位紧急储水槽5-2用以疏导正常情况下的漏水以及事故工况时的溢出水，加固地基5-3与平台底座1-1用地脚螺栓连接，保证试验系统稳固，地坑是实验系统安全根基，应由专业人员进行建造。
根据图2，充排水系统和管路主要由充水箱6-1、充水箱阀门6-2、充水泵6-3、充水硬管6-4、充水软管6-5、排水软管6-6、排水泵6-7、排水硬管6-8、排水箱阀门6-9、排水箱6-10组成，用以给系统提供充水量和排水量，冲水泵6-3和排水泵6-7为变频水泵，用以调整充排水量。充水箱6-1和排水箱6-10体积应不小于稳压器模型本体2-1，以确保充水和排水量足够，各个水管、阀门、容器间的连接密封性要好，需规格(实验要求确定)一致，之间用专用胶水、螺纹、生料带、密封圈等进行严格密封。
进行固定水量实验时应先打开姿态传感器4-1、雷达液位计本体4-2、雷达液位计导波杆4-3、微型水工压力传感器4-4、连接线缆4-5、通用信号无线采集分析系统4-6、PC端4-7的开关进行预监测，随后打开充水箱阀门6-2和充水阀门及管路2-2，控制充水泵6-2将充水箱6-1中的水充入2-1稳压器模型本体至指定水装量，随后关闭各个阀门，待水面静止后开始正式监测和存储，开始后立即启动六自由度运动平台，驱动实验系统进行指定形式的运动，待采集足够的数据后关闭六自由度运动平台，打开排水箱阀门6-9和排水阀门及管路2-3，打开排水泵6-7进行排水。若进行变水量实验则应先打开姿态传感器4-1、雷达液位计本体4-2、雷达液位计导波杆4-3、微型水工压力传感器4-4、连接线缆4-5、通用信号无线采集分析系统4-6、PC端4-7的开关进行预监测，随后打开充水箱阀门6-2和充水阀门及管路2-2、排水箱阀门6-9和排水阀门及管路2-3，控制充水泵6-3和排水泵6-7至指定的充排水量，使稳压器模型本体2-1中水装量按照工况设定连续变化，随后立即开始正式监测和存储数据，立即启动六自由度运动平台，驱动实验系统进行指定形式的运动，待采集足够的指点数据后关闭六自由度运动平台，关闭充水泵6-3，关闭充水箱阀门6-2和充水阀门及管路2-2，待稳压器模型本体2-1中液体排净后关闭剩余水泵及阀门。
根据图4，本发明使用的两个水泵及六自由度运动平台等地面固定设备分别使用有线连接用过PC端控制，其余的压力信号、雷达液位信号、姿态信号等信号通过通运信号无线采集系统采集并通过WIFI传输至PC端处理，安全可靠。
本发明装置工作可靠，操作方便，且功能性较其他类似实验装置较强，能够较好的开展相关科学研究工作。

Claims (5)

1.一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，其特征是：包括地坑、六自由度运动平台、实验本体、支撑架、充排水系统和管路、数据测量系统，所述六自由度运动平台位于地坑内，包括平台底座、驱动电缸和下铰接键、驱动杆、上平台、上铰接键，驱动电缸和下铰接键连接驱动杆下端与平台底座，上铰接键连接驱动杆上端与上平台，上平台上放置有支撑架，所述支撑架包括支撑底板、支撑柱、顶部支撑板、侧方支撑装置，实验本体包括稳压器模型本体、充水阀门及管路、排水阀门及管路、排气口,稳压器模型本体位于支撑架的支撑板上，稳压器模型本体与支撑架的支撑柱之间设有侧方支撑装置，稳压器模型本体、下方左右两侧设有充水阀门及管路及排水阀门及管路、上方设有排气口，充水阀门安装在试验本体下方与充水系统连接，所述充水系统包括依次连接的充水箱、充水箱阀门、充水泵、充水硬管、充水软管，充水软管与充水阀相连接，排水阀门安装在试验本体下方的另一侧与排水系统连接，所述排水系统包括依次连接的排水箱、排水箱阀门、排水泵、排水硬管、排水软管，排水软管与排水阀相连接，所述数据测量系统包括姿态传感器、雷达液位计本体、雷达液位计导波杆、微型水工压力传感器、连接线缆、通用信号无线采集分析系统、PC端，支撑架的顶部支撑板上放置有数据测量系统的姿态传感器、雷达液位计本体、连接线缆、通用信号无线采集分析系统，雷达液位计导波杆与雷达液位计本体连接是一个整体，微型水工压力传感器置于雷达液位计导波杆底部，通用信号无线采集分析系统通过wifi把数据传输到pc端。
2.根据权利要求1所述的一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，其特征是：所述地坑包括地坑壁面、低位紧急储水槽、加固地基，低位紧急出水槽位于地坑最底部，地脚螺栓连接加固地基和平台底座。
3.根据权利要求1所述的一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，其特征是：所述充水泵和排水泵均为变频水泵。
4.根据权利要求1所述的一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，其特征是：进行固定水量实验时，先打开姿态传感器、雷达液位计本体、雷达液位计导波杆、微型水工压力传感器、连接线缆、通用信号无线采集分析系统、PC端的开关做数据预监测，再打开充水箱阀门、充水泵、充水阀门及管路，充水箱中的水通过控制充水泵充入稳压器模型本体到指定水装量位置，再关闭各个阀门，水面静止后启动六自由度运动平台，开始监测和存储，实验结束关闭六自由度运动平台，打开充排水阀门及管路、排水泵和排水箱阀门进行排水，稳压器模型本体中的水通过控制排水泵排入排水箱。
5.根据权利要求1所述的一种研究复合运动条件稳压器液位变化规律的实验系统，其特征是：进行变水量实验，先打开姿态传感器、雷达液位计本体、雷达液位计导波杆、微型水工压力传感器、连接线缆、通用信号无线采集分析系统、PC端的开关做数据预监测，再打开充水箱阀门和充水阀门及管路、排水箱阀门、排水阀门及管路，控制充水泵和排水泵至指定的充排水量，启动六自由度运动平台开始监测和存储数据，实验结束关闭充水泵，关闭充水箱阀门、充水阀门及管路，稳压器模型本体中液体排净后关闭排水箱阀门、排水阀门及管路、排水泵。
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