CN113763774A - 一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是为了提供一种适用于模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统，包括管路系统及附属设备、支撑台架、驱动系统，支撑台架与管路系统及附属设备连接，位于管路系统及附属设备下方，驱动系统与支撑台架连接，位于支撑台架下面。本发明可在海洋条件横摇运动下的流动特性展开研究，可在不同横摇周期、不同横摇幅值、不同强迫循环流速、不同流动管路的条件下研究管路内流动参数特征以及仪表相应特性，且在同一装置中拥有地面对照组和运动实验组，可分别进行动态横摇实验、静态对照实验、相互影响实验等，且本发明具有设计简单、造价低廉、可移动性强、拓展性强、安装简单等优点。
Description
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，具体涉及一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统。
背景技术
自从二十世纪可控的核能发电实现以来，核能发展迅速，并在能源领域内成为不可或缺的一份子，作为一种清洁的能源，因其能量密度高且无污染等优点而受到人们关注，但是船用核动力设备的运行条件十分恶劣，发生事故的后果也不可设想，所以人们对其安全要求提出更高的标准
在常规陆基反应堆内，管路系统是较为常见的系统，大量出现在各个回路或者设备中，起到输运水、油、汽等工质的作用，管路中的各个流动参数可用常规仪表仪器采集。如流量使用孔板流量计来测量，压降使用差压变送器来测量，实际上大部分此类仪表是基于压力测量，或直接输出压降信号，或通过换算或转化。在常规陆基核电站中，这类仪表正常运行工况下可实现既定功能。
而核动力船舶或浮动堆等处于海洋条件下的核动力设备会受到风浪、海啸、地震、航行甚至战斗的影响，管路中工质流动会受到附加惯性力的影响，净驱动力以及姿态参数会发生变化，造成在相同工况下流动参数变化；同时附加惯性力以及姿态参数的改变也会影响到一些管路中的仪器仪表的响应特性。因此在海洋环境下管路中水力参数的测量会出现不同于陆基的响应特性或者误差。所以在运动工况如横摇条件下的对管路内强迫循环流动特性的研究需要进行响应研究，以支撑相关设备设计以及信号处理。
发明目的
本发明的目的是为了提供一种适用于模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括管路系统及附属设备、支撑台架、驱动系统，支撑台架与管路系统及附属设备连接，位于管路系统及附属设备下方，驱动系统与支撑台架连接，位于支撑台架下面。
本发明还可以包括：
1、管路系统及附属设备包括无塔供水器1-1、供水器排气孔1-2、出口阀门1-3、弯头1-4、活接头1-5、驱动泵1-6、直管1-7、旁路阀门1-8、三通1-9、进口软管1-10、运动测量仪表1-11、运动高位排气孔1-12、出口软管1-13、地面测量仪表1-14、地面高位排气孔1-15、电磁流量计1-16、充水口及阀门1-17、运动实验组阀门1-18、总阀直管1-19、实验段直管1-20、回路连接直管1-21、实验组测压直管1-22、运动高位排气直管1-23、地面组测压直管1-24、地面高位排气直管1-25、流量测量直管1-26，无塔供水器1-1上面设置有供水器排气孔1-2，下侧面设置有充水口及阀门1-17，无塔供水器1-1下表面依次连接总阀直管1-19、直管1-7、实验段直管1-20、进口软管1-10、实验组测压直管1-22、运动高位排气直管1-23、出口软管1-13、地面组测压直管1-24、地面高位排气直管1-25、流量测量直管1-26，弯头1-4和活接头1-5连接总阀直管1-19和直管1-7，三通1-9左右两侧连接直管1-7和实验段直管1-20，三通1-9上面连接回路连接直管1-21，回路连接直管1-21另一端连接三通再与出口软管1-13连接，出口阀门1-3设置在总阀直管1-19上，驱动泵1-6位于直管1-7上，运动测量仪表1-11位于实验组测压直管1-22上，运动高位排气孔1-12位于运动高位排气直管1-23上，地面测量仪表1-14位于地面组测压直管1-24上，地面高位排气孔1-15位于地面高位排气直管1-25上，电磁流量计1-16位于流量测量直管1-26上。
2、支撑台架包括横摇平台支撑架2-1、横摇平台轴承及轴承座2-2、横摇平台面2-3、平台斜拉杆2-4、横摇管路支撑架2-5、地面管路支撑架2-6，横摇管路支撑架2-5位于运动高位排气直管1-23下面，在横摇平台面2-3上面，横摇平台面2-3一侧安装横摇平台轴承及轴承座2-2，横摇平台面2-3下连接横摇平台支撑架2-1。
3、驱动系统包括伺服电机3-1、联轴器3-2、减速箱3-3、曲柄3-4、曲柄连杆转动销3-5、连杆3-6、摇杆3-7、摇杆位孔3-8、连杆摇杆转动销3-9、曲柄位孔3-10，摇杆3-7与横摇平台轴承及轴承座2-2连接，平台斜拉杆2-4连接平台斜拉杆2-4与摇杆3-7，连杆3-6一端设置连杆摇杆转动销3-9与摇杆3-7上加工的摇杆位孔3-8连接，连杆3-6另一端设置曲柄连杆转动销3-5与曲柄3-4上加工的曲柄位孔3-10连接，曲柄3-4与减速箱3-3连接，联轴器3-2连接减速箱3-3与伺服电机3-1。
技术效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明实验系统使用小型电机和减速箱提供驱动，可移动性强、造价较低、对场地要求不高。
2、本发明使用曲柄摇杆机构进行运动转换，原理简单、加工方便，且曲柄和摇杆均设置位孔，可实现多个横摇幅值的选择。
3、本发明同时设置地面对照组与运动实验组，其中有旁路连接，可控制为多种流动形式，可分别进行动态横摇实验、静态对照实验、相互影响实验等。
4、本发明所有直管、波纹管、弯头、三通、阀门等管路设备均用活接头快接连接，拆卸、改装、移位非常方便。且地面对照组和运动实验组段管路均可拆卸，可根据任务要求及实际管路排布进行设置，可改造性强。
附图说明
图1为本发明实验系统整体示意图；
图2为本发明驱动机构及部分支撑台架示意图；
图3为本发明管路系统及附属设备示意图。
具体实施方式
根据图1和图3，所述管路系统及附属设备主要由无塔供水器1-1、供水器排气孔1-2、出口阀门1-3、弯头1-4、活接头1-5、驱动泵1-6、直管1-7、旁路阀门1-8、三通1-9、进口软管1-10、运动测量仪表1-11、运动高位排气孔1-12、出口软管1-13、地面测量仪表1-14、地面高位排气孔1-15、电磁流量计1-16、充水口及阀门1-17、运动实验组阀门1-18等组成。管路系统及附属设备主要给实验系统提供实验回路本体，可实现所需研究的流动及参数测量。无塔供水器1-1用来储水与排气，实验前先应进行排气操作：打开充水口及阀门1-17从水源处进行充水，使水在无塔供水器1-1中占据较大的空间，并使回路内产生一定的压力，随后关闭充水口及阀门1-17，控制驱动泵1-6使回路中的水进行一段时间的循环，因气液分离效应气体会存储于无塔供水器的上端，以及地面对照组合运动实验组管路的顶部，此时打开运动高位排气孔1-12、地面高位排气孔1-15、供水器排气孔1-2使管路中的气体排干净，防止存在气相造成仪表测量不准。
直管1-7、弯头1-4、三通1-9、波纹管1-13均为DN50规格的标准件，也可根据要求或者具体情况设置规格，之间均用活接头1-5连接，注意以上管路构件及阀门等不只仅限于附图中指明的位置，应为附图中所有类似特征的构件，其长度、规格、布置等根据场地及具体要求确定，实验时回路的驱动力由驱动泵提供，可通过调整泵的转速来控制管路内液体流量，而液体的参考流量由电磁流量计1-16测得，同时地面对照组和运动实验组中相应位置可设置测量仪表如差压变送器、孔板流量计等仪表，运动测量仪表1-11、地面测量仪表1-14可由具体需求设置仪表类型、型号、安装方式、安装位置及朝向等，实验过程中应注意波纹管1-13的位置，使其不发生缠绕、弯折等现象。
根据图2，支撑台架和驱动机构共同为实验回路提供横摇运动的载体，支撑台架主要由横摇平台支撑架2-1、横摇平台轴承及轴承座2-2、横摇平台面2-3、平台斜拉杆2-4、横摇管路支撑架2-5、地面管路支撑架2-6等组成。横摇平台支撑架2-1一般为工字钢或角钢焊接而成，与地面之间用膨胀螺栓连接，横摇平台轴承及轴承座2-2连接横摇平台支撑架2-1及横摇平台面2-3，横摇平台面2-3以铝型材结合钢板制成，也可用其他轻质高强度材料，用以支撑搭载运动实验组，横摇管路支撑架2-5用C型钢等材料焊接而成，具体尺寸视承载需求而定，与横摇平台面2-3之间以螺栓连接，若设计的横摇管路支撑架2-5通用性较好，则可使用焊接的方式进行连接。驱动机构主要由伺服电机3-1、联轴器3-2、减速箱3-3、曲柄3-4、曲柄连杆转动销3-5、连杆3-6、摇杆3-7、摇杆位孔3-8、连杆摇杆转动销3-9、曲柄位孔3-10等组成。驱动机构主要为系统提供驱动，使运动实验组处于设定运动工况下。通过控制伺服电机3-1转动频率来控制输出转速，联轴器3-2连接减速箱3-3将转动变慢，驱动力变强，驱动摇杆3-4进行连续转动，带动连杆3-6及摇杆3-8运动，最终使摇杆3-8实现连续摆动，在平台上表现为连续的横摇运动，其中电机3-1、减速箱3-3、联轴器3-2可由一体式减速电机替代。曲柄3-4和摇杆3-7上设有位孔，通过改变曲柄连杆转动销3-5、连杆摇杆转动销3-9与曲柄位孔3-8、摇杆位孔3-8之间的位置关系，可以控制横摇运动的幅值，通过控制电机3-1转动频率及减速箱3-3的传动比来控制运动频率。
在前述排气工作完成后，可进行各种既定实验，先调整驱动泵1-4的转速并观察电磁流量计示数，使管路内初始流动参数达到既定值。随后控制电机按照既定工况转动，并开始记录数据。实验期间充水口及阀门1-17处于常闭状态、出口阀门1-3处于常开状态。
若进行地面对照组静止实验，则运动实验组阀门1-18关闭，旁路阀门1-8打开，驱动泵1-4调至既定参数，伺服电机3-1关闭，记录相应数据；
若进行运动组静止实验，则运动实验组阀门1-18打开，旁路阀门1-8关闭，驱动泵1-4调至既定参数，伺服电机3-1关闭，记录相应数据；
若进行运动组运动实验，则运动实验组阀门1-18打开，旁路阀门1-8关闭，驱动泵1-4调至既定参数，伺服电机3-1调制既定参数，仅记录运动测量仪表1-11或根据需求设置的其他运动组仪表的参数；
若进行二者相互影响实验，则在上条基础上记录地面测量仪表1-11或根据需求设置的其他运动组仪表的参数；
若进行横摇无流动实验，则关闭出口阀门1-3，打开旁路阀门1-8和运动实验组阀门1-18，记录相应数据；
通过控制三个阀门的开关可实现不同流动方式，实验旁路的设置不应仅限于附图中的设置，应根据具体情况灵活多变；通过控制驱动泵1-4的转速，可实现初始流动参数的改变，驱动泵1-4及电磁流量计1-16前后应有足够长的直管段，其布置位置也应根据具体情况灵活多变；通过控制连杆的长度、曲柄和连杆上位孔和转动销的连接选择，可改变横摇运动的幅值；通过控制电机3-1转动频率及减速箱3-3的传动比来控制横摇运动的周期。
本发明可在海洋条件横摇运动下的流动特性展开研究，可在不同横摇周期、不同横摇幅值、不同强迫循环流速、不同流动管路的条件下研究管路内流动参数特征以及仪表相应特性，且在同一装置中拥有地面对照组和运动实验组，可分别进行动态横摇实验、静态对照实验、相互影响实验等，且本发明实验系统具有设计简单、造价低廉、可移动性强、拓展性强、安装简单等优点。现有大多数海洋条件实验系统均为液压或电缸驱动，成本较高且体积庞大，移动较为麻烦，对场地要求较高，本实验系统以减速电机搭配曲柄摇杆装置实现驱动，体积较小、造价较低、对场地要求不高，且改变曲柄摇杆机构的孔位也可实现较多运动参数的改变。本实验系统所用管路均用活接头来连接直管、软管、弯头、三通等管路设备，改造性良好，可快速更改为实际情况所需管路形式。且本系统具有地面对照组和运动实验组，其中有旁路连接，可控制为多种流动形式，且两组同时进行，可研究两者相互之间的影响。
Claims (4)
1.一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统，其特征是：包括管路系统及附属设备、支撑台架、驱动系统，支撑台架与管路系统及附属设备连接，位于管路系统及附属设备下方，驱动系统与支撑台架连接，位于支撑台架下面。
2.根据权利要求1所述的一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统，其特征是：管路系统及附属设备包括无塔供水器(1-1)、供水器排气孔(1-2)、出口阀门(1-3)、弯头(1-4)、活接头(1-5)、驱动泵(1-6)、直管(1-7)、旁路阀门(1-8)、三通(1-9)、进口软管(1-10)、运动测量仪表(1-11)、运动高位排气孔(1-12)、出口软管(1-13)、地面测量仪表(1-14)、地面高位排气孔(1-15)、电磁流量计(1-16)、充水口及阀门(1-17)、运动实验组阀门(1-18)、总阀直管(1-19)、实验段直管(1-20)、回路连接直管(1-21)、实验组测压直管(1-22)、运动高位排气直管(1-23)、地面组测压直管(1-24)、地面高位排气直管(1-25)、流量测量直管(1-26)，无塔供水器(1-1)上面设置有供水器排气孔(1-2)，下侧面设置有充水口及阀门(1-17)，无塔供水器(1-1)下表面依次连接总阀直管(1-19)、直管(1-7)、实验段直管(1-20)、进口软管(1-10)、实验组测压直管(1-22)、运动高位排气直管(1-23)、出口软管(1-13)、地面组测压直管(1-24)、地面高位排气直管(1-25)、流量测量直管(1-26)，弯头(1-4)和活接头(1-5)连接总阀直管(1-19)和直管(1-7)，三通(1-9)左右两侧连接直管(1-7)和实验段直管(1-20)，三通(1-9)上面连接回路连接直管(1-21)，回路连接直管(1-21)另一端连接三通再与出口软管(1-13)连接，出口阀门(1-3)设置在总阀直管(1-19)上，驱动泵(1-6)位于直管(1-7)上，运动测量仪表(1-11)位于实验组测压直管(1-22)上，运动高位排气孔(1-12)位于运动高位排气直管(1-23)上，地面测量仪表(1-14)位于地面组测压直管(1-24)上，地面高位排气孔(1-15)位于地面高位排气直管(1-25)上，电磁流量计(1-16)位于流量测量直管(1-26)上。
3.根据权利要求2所述的一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统，其特征是：支撑台架包括横摇平台支撑架(2-1)、横摇平台轴承及轴承座(2-2)、横摇平台面(2-3)、平台斜拉杆(2-4)、横摇管路支撑架(2-5)、地面管路支撑架(2-6)，横摇管路支撑架(2-5)位于运动高位排气直管(1-23)下面，在横摇平台面(2-3)上面，横摇平台面(2-3)一侧安装横摇平台轴承及轴承座(2-2)，横摇平台面(2-3)下连接横摇平台支撑架(2-1)。
4.根据权利要求3所述的一种模拟横摇运动下强迫循环流动特征的串联管路系统，其特征是：驱动系统包括伺服电机(3-1)、联轴器(3-2)、减速箱(3-3)、曲柄(3-4)、曲柄连杆转动销(3-5)、连杆(3-6)、摇杆(3-7)、摇杆位孔(3-8)、连杆摇杆转动销(3-9)、曲柄位孔(3-10)，摇杆(3-7)与横摇平台轴承及轴承座(2-2)连接，平台斜拉杆(2-4)连接平台斜拉杆(2-4)与摇杆(3-7)，连杆(3-6)一端设置连杆摇杆转动销(3-9)与摇杆(3-7)上加工的摇杆位孔(3-8)连接，连杆(3-6)另一端设置曲柄连杆转动销(3-5)与曲柄(3-4)上加工的曲柄位孔(3-10)连接，曲柄(3-4)与减速箱(3-3)连接，联轴器(3-2)连接减速箱(3-3)与伺服电机(3-1)。
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