屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置及方法

摘要

本发明提供一种屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置及方法。测试装置包括外壳、转子、上飞轮、下飞轮、支撑架、密封装置、检测装置和变频电机，上飞轮和下飞轮与转子连接，转子通过轴承与外壳连接，检测装置包括推力承载盘、推力盘测力轴和若干测力单元，转子从外壳穿出后通过第一联轴器与推力盘测力轴连接，推力盘测力轴通过轴承与推力承载盘连接，推力承载盘通过若干测力单元、法兰盘与支撑架连接，变频电机通过第二联轴器与推力盘测力轴连接。与现有技术相比，本发明的测试装置可实现屏蔽电机转子组件在变转速条件下因伯努利效应产生的流体动力学轴向力的快速测试，为屏蔽电机转子组件的流体动力学设计与优化提供参考数据。

说明书

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种屏蔽式电机立式湿转子流体 动力学轴向力测试装置及方法。

背景技术

核主泵作为核反应堆堆芯冷却剂冷却介质循环的动力源，被誉为核反应堆 的心脏。目前在役核反应堆主泵，多采用轴封泵作为堆芯冷却剂主泵。历次核 事故的出现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代替， 出现在第三代核电技术上。屏蔽式主泵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。

然而正是屏蔽电机的变动密封为静密封而带来的无泄漏技术优势，但却给 大型屏蔽电机的设计带来了新的挑战。由于带有双飞轮结构的转子组件在间隙 流体中高速旋转，流体伯努利效应的存在使得结构上对称设计的转子组件在流 体动力学性能上出现了非对称性。压力分布的非对称性对转子组件垂直于轴线 方向的截面进行积分后，使得转子组件受到轴向作用力。由于流体动力学特性 与流态相关，屏蔽电机转子转速改变间隙流动的流态，因此该轴向力是一个随 屏蔽电机运行转速变化的作用力，从而导致其轴向作用力的测试变得困难。由 于流体作用力与流态相关，因此该轴向作用力的大小随电机转速变化而改变， 并且在转速升高的过程中显著增大，对于大尺寸的屏蔽电机转子结构尤为显著。

该屏蔽电机在使用的过程中，采用立式安装结构，因此带双飞轮结构的转 子组件为立式旋转湿转子组件，立式旋转转子为液体动力学轴向力的测试增加 了难度，从而难以为液体润滑轴承的设计提供技术参数。

发明内容

本发明目的在于提供一种屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装 置，以解决现有的立式旋转转子的流体动力学轴向力难以进行测试，从而难以 为液体润滑轴承的设计提供技术参数的技术性问题。

本发明的另一目的在于提供上述的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向 力测试装置的测试方法，以解决现有的立式旋转转子的流体动力学轴向力难以 进行测试，从而难以为液体润滑轴承的设计提供技术参数的技术性问题。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置，包括外壳、转子、 上飞轮、下飞轮、支撑架、检测装置和驱动装置，所述上飞轮和所述下飞轮分 别设置在所述转子的两端，所述转子的两端分别通过上径向滑动轴承和下径向 滑动轴承与所述外壳的内壁连接，所述上飞轮和所述下飞轮设置在所述外壳内， 所述转子、所述上飞轮和所述下飞轮与所述外壳内壁之间有间隙，所述外壳的 下端与所述支撑架连接，所述检测装置包括推力承载盘、推力盘测力轴和若干 测力单元，所述转子下端的轴肩从所述外壳穿出后通过第一联轴器与所述推力 盘测力轴连接，所述推力盘测力轴通过推力滚动轴承与所述推力承载盘连接， 所述推力承载盘与若干测力单元连接，测力单元通过法兰盘与所述支撑架连接， 所述推力盘测力轴通过径向滚动轴承与所述法兰盘连接，所述径向滚动轴承位 于所述推力滚动轴承的下方，所述驱动装置包括变频电机，所述变频电机通过 第二联轴器与所述推力盘测力轴连接，所述变频电机通过法兰与所述支撑架连 接。

在本发明优选的实施例中，所述转子下端与所述外壳的连接处设有机械式 密封装置。

在本发明优选的实施例中，所述密封装置包括密封圈。

在本发明优选的实施例中，所述测力单元包括力传感器，所述力传感器为 4个，4个力传感器在圆周方向上均匀分布，可增加结构的稳定性。

在本发明优选的实施例中，所述上飞轮和所述下飞轮的结构相同，所述上 飞轮和所述下飞轮分别通过键以及紧固螺母与所述转子连接。

在本发明优选的实施例中，所述第一联轴器通过锁紧螺母与所述推力盘测 力轴连接。

在本发明优选的实施例中，还包括数据收集与分析系统，所述数据收集与 分析系统与所述测力单元连接，所述数据收集与分析系统用于对测力单元的测 量值进行收集和分析。

上述的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置的测试方法，包 括以下步骤：

a.将各部件按照权利要求1中的连接关系进行安装，转子静止时，转子通 过所述第一联轴器与所述推力盘测力轴连接，所述转子与所述上飞轮和所述下 飞轮组成的转子组件所受到的重力通过所述推力盘测力轴传递到所述推力滚动 轴承，所述推力滚动轴承承受的作用力通过推力承载盘传递到若干测力单元， 从而测量出静止情况下转子组件所受到的轴向力G₁，G₁为所有的测力单元的测 量值之和；

b.在所述外壳内注满液体，启动变频电机，变频电机通过第二联轴器驱动 所述推力盘测力轴旋转，所述推力盘测力轴通过第一联轴器带动转子在间隙流 体中旋转，旋转过程中，外壳内部间隙流体介质由于速度差异而导致压力分布 出现差异，从而使得转子组件受到轴向作用力，同时，转子组件还受到重力作 用力；转子组件所受的重力和轴向作用力通过所述推力盘测力轴传递到所述推 力滚动轴承，所述推力滚动轴承承受的作用力通过推力承载盘传递到若干测力 单元，从而测量出转子组件所受到的轴向力G₂，G₂为所有的测力单元的测量值 之和；则可得到该转子组件所受到的轴向流体动力学作用力G＝G₂-G₁。

在本发明优选的实施例中，所述步骤b中的液体包括水。

在本发明优选的实施例中，所述变频电机的转速为0-1500rpm，使测量装 置可在较宽转速范围内测量转子组件的轴向力。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置可实现屏 蔽电机转子组件在变转速条件下因伯努利效应产生的流体动力学轴向力的快速 测试，为屏蔽电机转子组件的流体动力学设计与优化提供参考数据；

2、本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置还可通过 数据收集与分析系统实现旋转工况下屏蔽电机立式湿转子流体动力学轴向力的 在线收集与分析。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置的结构 示意图；

图2为本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置的部分 结构示意图。

具体实施方式

本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置可实现屏蔽电 机转子组件在变转速条件下因伯努利效应产生的流体动力学轴向力的快速测 试，为屏蔽电机转子组件的流体动力学设计与优化提供参考数据。本发明的屏 蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装置还可通过数据收集与分析系统 实现旋转工况下屏蔽电机立式湿转子流体动力学轴向力的在线收集与分析。

以下结合本发明的优选实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

请参阅图1、2，本发明的屏蔽式电机立式湿转子流体动力学轴向力测试装 置，包括外壳1、转子4、上飞轮2、下飞轮6、支撑架15、检测装置和驱动装 置。上飞轮2和下飞轮6分别通过紧固螺母固定于转子4的两端以形成转子组 件，用于模拟屏蔽式主泵的带有双飞轮结构的转子组件。转子4的两端分别通 过上径向滑动轴承3和下径向滑动轴承5与外壳1的内壁连接，上飞轮2和下 飞轮6设置在外壳1内，转子4、上飞轮2和下飞轮6与外壳1的内壁之间有间 隙。外壳1的下端通过紧固螺母与支撑架15固定连接。检测装置包括推力承载 盘8、推力盘测力轴9和若干测力单元13，转子4下端的轴肩从外壳1穿出后 通过第一联轴器7与推力盘测力轴9连接，推力盘测力轴9通过推力滚动轴承 14与推力承载盘8连接，推力承载盘8与若干测力单元13连接，测力单元13 通过法兰盘16与支撑架15连接，法兰盘16与支撑架15固定连接，推力盘测 力轴9通过径向滚动轴承12与法兰盘16连接，径向滚动轴承12位于推力滚动 轴承14的下方。驱动装置包括变频电机10，变频电机10通过第二联轴器11与 推力盘测力轴9连接，变频电机10输出扭矩通过推力盘测力轴9传递，变频电 机10通过法兰与支撑架15连接。

在本实施例中，转子4下端与外壳1的连接处设有密封装置17，密封装置 可为密封圈，也可为其他的密封结构。

在本实施例中，测力单元13包括力传感器，力传感器为4个，4个力传感 器在圆周方向上均匀分布，可增加结构的稳定性。

在本实施例中，上飞轮和下飞轮的结构相同，上飞轮2和下飞轮6分别通 过键以及紧固螺母与转子4连接。

在本实施例中，第一联轴器7通过锁紧螺母与推力盘测力轴9连接。

在本实施例中，还包括数据收集与分析系统，数据收集与分析系统与测力 单元连接，数据收集与分析系统用于对测力单元的测量值进行收集和分析。

本发明的测试装置的扭矩传递路径为：变频电机10输出扭矩通过第二联轴 器11的键连接方式传递到推力盘测力轴9，推力盘测力轴9输出的扭矩通过柔性 第一联轴器7的键连接方式传递到转子4，带动转子4进行旋转，完成转子4的驱 动。

本发明的测试装置的转子组件流体动力学轴向力的传递路径为：转子组件 承载的流体动力学轴向力通过转子的轴肩传递给第一联轴器7，第一联轴器7通 过内部配合轴肩进行轴向力传递，并通过锁紧螺母传递给推力盘测力轴9，推力 盘测力轴9通过推力滚动轴承14传递给推力承载盘8，推力承载盘8作用于测力单 元13，从而完成轴向力的传递与测试。

实施例2

本发明还提供实施例1的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

a.将各部件按照实施例1的连接关系进行安装，转子静止时，转子通过第 一联轴器与推力盘测力轴连接，转子与上飞轮和下飞轮组成的转子组件所受到 的重力通过推力盘测力轴传递到推力滚动轴承，推力滚动轴承承受的作用力通 过推力承载盘传递到若干测力单元，从而测量出静止情况下转子组件所受到的 轴向力G₁，G₁为所有的测力单元的测量值之和，从而完成轴向力的传递与测试；

b.在外壳内注满水，启动变频电机，变频电机通过第二联轴器驱动推力盘 测力轴旋转，推力盘测力轴通过第一联轴器带动转子在间隙流体中旋转，旋转 过程中，外壳内部间隙流体介质由于速度差异而导致压力分布出现差异，从而 使得转子组件受到轴向作用力，同时，转子组件还受到重力作用力；转子组件 所受的重力和轴向作用力通过推力盘测力轴传递到推力滚动轴承，推力滚动轴 承承受的作用力通过推力承载盘传递到若干测力单元，从而测量出转子组件所 受到的轴向力G₂，G₂为所有的测力单元的测量值之和，从而完成轴向力的传递 与测试；则可得到该转子组件所受到的轴向流体动力学作用力G＝G₂-G₁。数据 收集与分析系统可对测力单元的测量值进行收集和分析，为屏蔽电机转子组件 的流体动力学设计与优化提供参考数据。

在本实施例中，步骤b中的水也可以是其他液体。

在本实施例中，变频电机的转速为0-1500rpm，使测量装置可在较宽转速 范围内测量转子组件的轴向力。

以上公开的仅为本申请的几个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何 本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。