轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙流动阻力的测试装置及方法

摘要

本发明提供了一种轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙流动阻力的测试装置及方法，可以克服端盖动密封作用于转子的摩擦力、端面间隙流体作用于飞轮的阻力转矩，测量不同流道结构、转子转速、过流表面、轴向流量下的泰勒‑库特‑泊肃叶流作用于飞轮圆柱面上轴向力及力矩，从而研究轴向压力流与周向剪切流对轴向流动阻力及周向阻力矩的交互影响规律，为大功率屏蔽电机主泵的屏蔽电机段流道结构的设计与优化提供技术参数。

说明书

技术领域

本发明涉及机械测试装置设计的技术领域，具体涉及轴向压力流与周向剪 切流交互影响彼此间隙流动阻力的测试装置及方法。

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，将高温高压流体 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中不 完整的压力边界，从而提高了堆芯安全性。

然而将高温高压高辐射的流体引入电机内部，将会严重影响电机绕组的绝 缘性能，因此在主泵电机定转子之间分别增加了一层屏蔽套结构，然而屏蔽套 由于电磁涡流的作用将会产生大量的热。如果这些热量不能及时被带走将会导 致电机内部温度升高、水润滑轴承润滑液温度升高，从而对电机和轴承的等关 键部件的正常运行带来严重危害。因此需要通入低温冷却介质进入电机定转子 间隙间将热量带走。

然而定转子屏蔽套间隙的流动为间隙旋流，轴向压力流动与轴向剪切流动 相互耦合。周向剪切流动会显著增大轴向流动的阻力，从而导致轴向流量减少； 轴向流动也会对周向的阻力转矩造成影响，从而影响主泵惰转性能和功耗。因 此发明将研究轴向压力流动与周向剪切流动对彼此流动阻力的交互影响规律， 为屏蔽电机主泵内冷流道系统的结构设计与优化提供技术参数。

发明内容

本发明目的在于提供泰勒-库特-泊肃叶流动中轴向压力流与周向剪切流交 互影响彼此流阻的测试装置，以补充现有技术难于准确测量间隙环流中轴向压 力流动与周向剪切流动对轴向流动阻力与周向流动阻力转矩的交互影响规律， 从而难以为大功率屏蔽电机主泵内冷流道系统的结构设计与优化提供技术参数 的技术性问题。

本发明目的通过以下方式实现：

一种轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙流动阻力的测试装置，包 括上端盖、下端盖、外壳、转轴，所述上端盖、下端盖盖设在所述外壳的上、 下端上组成一封闭腔室；所述转轴的上、下端分别穿设在所述上端盖和下端盖 上，且相对于所述上端盖和下端盖转动，所述转轴还连接外部驱动装置连接； 所述下端盖上设有液体流进孔，所述上端盖上设有液体流出孔，所述液体流出 孔上设置有流量计；

所述封闭腔室内设置同轴套设在转轴上的上流体隔离件、下流体隔离件、 飞轮、多轴力传感器；所述飞轮为一密闭的中空结构，所述多轴力传感器位于 所述飞轮内，且所述多轴力传感器与所述转轴固定连接，所述多轴力传感器又 与所述飞轮固定连接；所述上流体隔离件和所述下流体隔离件分别盖设在所述 飞轮的上下端上，且与所述飞轮之间无力的传递；所述上流体隔离件和下流体 隔离件与所述转轴固定连接。

较佳地，所述飞轮的上端边缘处与所述上流体隔离件下端边缘处、所述飞 轮的下端边缘处与所述下流体隔离件上端边缘处均设置有相匹配穿插的齿状结 构。

较佳地，所述飞轮上端边缘上设置有第一凸起结构，所述上流体隔离件下 端边缘上设置有与第一凸起结构相匹配的第一凹槽结构，所述第一凸起结构伸 进所述第一凹槽结构内；

所述飞轮下端边缘上设置有第二凹槽结构，所述下流体隔离件上端边缘上 设置有与第二凹槽结构相匹配的第二凸起结构，所述第二凸起结构伸进所述第 二凹槽结构内。

较佳地，所述飞轮包括有飞轮腔体、上盖板、下盖板，所述飞轮腔体为一 两端开口的桶状结构，所述上盖板、下盖板分别盖设在所述飞轮腔体的上下端 开口上组成一密闭空间；所述多轴力传感器位于所述飞轮腔体内，且通过一辐 板连接到飞轮腔体的内侧壁上。

较佳地，所述上盖板、下盖板与所述转轴之间均设置有油封结构，所述上 盖板、下盖板与所述飞轮腔体之间均设置有O型密封圈。

较佳地，所述飞轮的上、下端与所述转轴之间均设置有支撑飞轮、减少摩 擦的第一轴承组件。

较佳地，所述第一轴承组件包括：

轴承座，所述轴承座套设在所述转轴上，且所述轴承座的一端连接到所述 飞轮的上端或下端的内表面上；

直线轴承，设置在所述轴承座与所述转轴之间并通过一弹性挡圈轴向定位。

较佳地，所述飞轮的外圈上还套设有一套圈，所述套圈可拆卸的设置在所 述飞轮上，所述套圈用于改变所述飞轮外圈的表面形貌；且所述套圈可在拆卸 所述飞轮的内部结构的情况下实现更换。

较佳地，所述转轴为空心结构，所述转轴上与所述多轴力传感器对应位置 处设置有与所述转轴的中心通孔相通的径向孔，所述多轴力传感器的信号线穿 过所述径向孔、中心通孔向外输出。

较佳地，所述外壳的内侧壁上设有一套筒，所述套筒与所述外壳之间可拆 卸连接，所述套筒用于改变所述飞轮与所述外壳之间的间距、以及改变所述外 壳内表面的表面形貌。

较佳地，所述上端盖、下端盖与所述转轴之间、所述上端盖与所述外壳之 间、所述下端盖与所述外壳之间均设置有密封结构。

较佳地，所述转轴的下端与所述下端盖之间还设置有第二轴承组件；所述 轴承组件包括深沟球轴承和轴承压板，所述深沟球轴承通过轴承压板安装在所 述下端盖上，所述深沟球轴承设置在所述转轴与所述下端盖之间。

一种带回流孔盘面间隙环流径向压力流阻及非对称轴向力测试方法，其特 征在于，采用权利要求1-12中任意一项所述的轴向压力流与周向剪切流交互影 响彼此间隙流动阻力的测试装置，测试方法包括以下步骤：

a、按权利要求1中所述的连接关系将各部件进行连接；向所述封闭腔室内 以及飞轮与上流体隔离件、下流体隔离件之间的间隙内充满液体；

静止时作用于所述多轴力传感器的力为所述飞轮的自重和飞轮所受的浮力 的合力F1，静止时飞轮受阻力转矩的作用；

b、飞轮静止不动，调节液体流进孔、液体流出孔的流量Q，并记录下不同 流量Q下对应的所述多轴力传感器所测得的轴向力F；

c、启动外部驱动装置，带动飞轮旋转；通过调节液体流进孔、液体流出孔 的流量，使得封闭腔室内液体轴向流量为零，从而使得飞轮外侧面上仅有轴向 剪切流动，由于没有轴向流动，因此飞轮所受轴向力不会发生变化；

调节外部驱动装置的转速，并记录下不同转速下所述多轴力传感器测得的 转矩G；

d、通过调节液体流进孔、液体流出孔的流量，使得封闭腔室内液体轴向流 动，调节外部驱动装置的转速为步骤c中对应的第一个转速，同时依次调节轴 向流量为步骤b中对应的轴向流量，分别记录下多轴力传感器所对应的轴向力F 与转矩G；

e、重复步骤d，将步骤d中外部驱动装置的转速调节为步骤c中对应的个 转速，并记录下多轴力传感器所对应的轴向力F与转矩G；

f、将上述各步骤中测得的数据进行列表记录下来，并对这些数据进行处理， 将转速无量纲化得到泰勒数Ta，轴向流量无量纲化得到雷诺数Re，最终得到该 流到结构的不同雷诺数Re和泰勒数Ta对应的转矩和轴向力。

较佳地，所述外壳的内侧壁上设有一套筒，所述套筒与所述外壳之间可拆 卸连接，所述套筒用于改变所述飞轮与所述外壳之间的间距、以及改变所述外 壳内表面的表面形貌；

测试方法还包括步骤g：改变所述套筒的厚度的尺寸，来改变外壳与飞轮外 侧壁之间的间隙流道结构的参数，并重复步骤a-f；不同的流道结构采用无量纲 数r_i为间隙流道结构的内半径，r₀为间隙流道结构的外半径；最终将得 到不同流道结构下的不同雷诺数Re和泰勒数Ta对应的转矩和轴向力；通过分 析数据，便可以发现轴向压力流与周向剪切流对彼此流动阻力的交互影响关系。

较佳地，所述步骤b中的液体采用水。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和 积极效果：

1、本发明提供的轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此流阻的测试装置 可实现变转速、轴向流量、流道结构、过流表面时泰勒-库特-泊肃叶流动中轴 向压力流与周向剪切流对轴向流动阻力与周向阻力矩的交互影响规律测试，为 大功率屏蔽电机冷冷流道结构的设计与优化提供技术参数。

2、本发明提供的轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此流阻的测试装置的 测试方法可将本发明的轴向压力流与周向剪切流对彼此流阻交互影响规律的适 用范围推广，为大功率屏蔽电机主泵扩容时内冷流道的结构设计提供参考技术 参数。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他 特征和优点，其中：

图1为本发明轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此流阻的测试装置的结 构示意图；

图2为本发明的轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此流阻的测试装置的 部分结构示意图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发 明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相 反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人 员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的 尺寸及相对尺寸。

本发明提供的一种轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙流动阻力的 测试装置可实现变转速、轴向流量、流道结构、过流表面时泰勒-库特-泊肃叶 流动中轴向压力流与周向剪切流对轴向流动阻力与周向阻力矩的交互影响规律 测试，为大功率屏蔽电机冷冷流道结构的设计与优化提供技术参数。本发明提 供的轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此流阻的测试装置的测试方法可将本 发明的轴向压力流与周向剪切流对彼此流阻交互影响规律的适用范围推广，为 大功率屏蔽电机主泵扩容时内冷流道的结构设计提供参考技术参数。

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

参照图1-2，本发明提供了一种轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙 流动阻力的测试装置，包括上端盖16、下端盖41、外壳25、转轴1，外壳25呈上 下端均开口的结构，上端盖16、下端盖41盖设在外壳25的上下端开口上组成一 封闭腔室。转轴1的上下端分别穿设在上端盖16、下端盖41上，且转轴1可相对 于上端盖16、下端盖41转动，转轴1还连接一外部驱动装置；下端盖上设置有液 体流进孔42，上端盖16上设有液体流出孔，液体流出孔上设置有流量计40，液 体自液体流进孔42流进封闭腔室内，自液体流出孔流出封闭腔室。封闭腔室内 设置同轴套设在转轴1上的上流体隔离件19、下流体隔离件28、飞轮、多轴力传 感器11，飞轮为一密闭的中空结构，多轴力传感器11位于飞轮内，且多轴力传 感器11与转轴1固定连接，多轴力传感器11又与飞轮固定连接；上流体隔离件19 和下流体隔离件28分别盖设在飞轮的上下端上，且与飞轮之间无力的传递；上 流体隔离件19和下流体隔离件28与转轴固定连接。

在本实施例中，上端盖16与外壳25的上端之间设置有密封装置17，下端盖 41与外壳25下端之间设置有密封装置29，用于保证封闭腔室的密封性；其中， 密封装置17、密封装置29优选的采用静密封结构，例如橡胶圈等。

在本实施例中，转轴1上端穿过上端盖16伸出封闭腔室，并连接外部驱动装 置；转轴1与上端盖16之间设置有密封装置15，从而保证了封闭腔室的密封性， 防止液体漏出；其中，优选的密封装置15为动密封结构，例如油封装置等。上 端盖16上设置有液体流出孔，其中液体流出孔的设置数目不作限制；液体流出 孔连接有出口管道2，通过出口管道2将液体排出，流量计可设置在出口管道2的 末端。

在本实施例中，转轴1的下端设置在下端盖41上，转轴1与下端盖41之间设 置有第二轴承组件，第二轴承组件包括有轴承36、轴承压板37；具体的，参照 图2，转轴1下端底部上套设有一锁紧螺母35用于限定转轴1轴向移动；转轴1下 端与下端盖41之间设置有密封装置和轴承36，且轴承36位于密封装置下侧；密 封装置包括动密封结构38和密封压板34，密封压板34将动密封结构38紧压在下 端盖41上；轴承36又通过一轴承压板37紧压在密封压板34上，密封压板34、轴 承压板37通过一螺钉顺序固定在下端盖4上；其中，轴承36优选采用深沟球轴承。 本发明在转轴1与下端盖41之间设置轴承36是用于增加转子系统的稳定性。

进一步的，轴承36与下端盖41一起拆卸，作用为增加转子系统的稳定性。

在本实施例中，飞轮套设在转轴1上，飞轮整体为一密封的中空结构。具体 的，飞轮包括有飞轮腔体6、上盖板5、下盖板27；飞轮腔体6为一两端开口的桶 状结构，上盖板5、下盖板27分别盖设在飞轮腔体6的上下端开口上，从而组成 一密闭空间。

进一步的，上盖板5、下盖板27通过螺钉固定在飞轮腔体6上，且上盖板5与 飞轮腔体6之间设置有密封装置21，上盖板5与转轴1之间设置有密封装置4，下 盖板27与飞轮腔体6之间设置有密封装置26，下盖板27与转轴1之间设置有密封 装置32，从而保证了飞轮整体的密封性；其中，密封装置21、密封装置26可为O 型密封圈，密封装置4、密封装置32可为油封结构，当然上述密封装置也可根据 具体情况来设计，此处不作限制。

进一步的，飞轮的上、下端与转轴1之间均设置有支撑飞轮、减少摩擦的第 一轴承组件，第一轴承组件包括轴承座8、31和直线轴承9、39。下面以飞轮上 端与转轴1之间的第一轴承组件为例，来进行详细说明，轴承座8位于飞轮内， 轴承座8套设在转轴1上，且轴承座8的上端固定在飞轮上端内表面上，具体的可 设置在上盖板5的下端面上，同时轴承座8的上端可紧压在密封装置4上，起到固 定密封装置4的作用；直线轴承9设置在轴承座8与转轴1之间，并通过一弹性挡 圈10轴向进行限位，从而实现了直线轴承9的固定。本发明通过在转轴1与飞轮 上下端之间设置直线轴承9、39，一方面起到了支撑飞轮的作用，另一发面减小 了飞轮上下端与转轴1之间的摩擦。

在本实施例中，多轴力传感器11位于飞轮内部，且通过一辐板34连接飞轮 腔体的内侧壁。具体的，辐板34、多轴力传感器11均套设在转轴1上，辐板34的 外圈与飞轮的内侧壁固定连接，多轴力传感器11的下端面与一法兰13固定连接， 法兰13套设在转轴1上，法兰13的内圈与转轴1之间通过键12连接，法兰13的下 端还设置有一套设在转轴1的锁紧螺母14，从而将多轴力传感器11固定到转轴1 上；多轴力传感器11的上端面固定在辐板34的下端面上，从而实现了多轴力传 感器11与飞轮、转轴1固定连接。当转轴1转动的时候，通过多轴力传感器11带 动飞轮转动，

在本实施例中，多轴力传感器11用于流体作用在飞轮外侧面的周向应力和 轴向应力的合成作用力和力矩的测量；在本实施例中，转轴1可设计为空心结构， 转轴1在飞轮腔体内部段上开设有径向孔与中心通孔连通，多轴力传感器11的信 号线穿过径向孔进入转轴1的中心通孔向外传输。

在本实施例中，上流体隔离件19呈一开口朝下的盖状，下流体隔离组件28 呈一片状，上流体隔离件19、下流体隔离件28套设在转轴1上，且分别设置在飞 轮的上下侧；上流体隔离件19的内圈通过键18和锁紧螺母20固定在转轴1上，下 流体隔离件28直接通过螺钉固定在转轴1上；当然，上流体隔离件19、下流体隔 离件28与转轴1的固定方式并不局限于以上所述，可根据具体情况来进行调整。

在本实施例中，飞轮的上端边缘处与上流体隔离件19下端边缘处、飞轮的 下端边缘处与下流体隔离件28上端边缘处均设置有相匹配穿插的齿状结构，用 于减小离心力的作用下导致飞轮上下端面与上流体隔离件19、下流体隔离件28 之间的流体往外流出，从而影响测试结构。

进一步的，飞轮上端边缘上设置有第一凸起结构44，上流体隔离件19下端 边缘上设置有与第一凸起结构44相匹配的第一凹槽结构43，第一凸起结构44伸 进第一凹槽结构43内；飞轮下端边缘上设置有第二凹槽结构45，下流体隔离件 28上端边缘上设置有与第二凹槽结构45相匹配的第二凸起结构46，第二凸起结 构46伸进所述第二凹槽结构45内；且保证飞轮与上流体隔离件19、下流体隔离 件28之间均无力的传递。

在本实施例中，飞轮的外圈上还套设有一套圈23，套圈23可拆卸的设置在 飞轮外侧面上，套圈23可以在不拆卸飞轮内部结构的情况下进行更换；套圈23 的外圈面的表面形貌可变换，不同的套圈23代表这不同的表面形态，套圈23 的设置作用在于研究不同表面形貌对流动阻力的影响规律。

在本实施例中，外壳25的内侧壁上设有一套筒22，套筒22与外壳15之间 可拆卸连接，套圈22内径大小可更换，套圈22内圆周面表面形貌可变，套筒 22用于改变飞轮与外壳25之间的间距、以及改变外壳25内表面的表面形貌,， 以实现流道结构和过流表面的组合测试。

本发明的测试装置的扭矩传递路径为：外部驱动器输出的扭矩传递到转轴 1，转轴1通过键18将部分扭矩传递到上流体隔离件19，转轴1通过螺钉33将 部分扭矩传递到下流体隔离件28，转轴1通过键12将其余部分扭矩传递到法兰 13，法兰13通过多轴力传感器11将这部分扭矩传递给辐板24，辐板24将扭矩 再传递给飞轮腔体6，飞轮腔体6通过螺钉7将扭矩传递给外部套圈23，完成 飞轮、上流体隔离件19、下流体隔离件28的驱动。

本实施例的目的在于提供泰勒-库特-泊肃叶流动中轴向压力流与周向剪切 流交互影响彼此流阻的测试装置，以补充现有技术难于准确测量间隙环流中轴 向压力流动与周向剪切流动对轴向流动阻力与周向流动阻力转矩的交互影响规 律，从而难以为大功率屏蔽电机主泵内冷流道系统的结构设计与优化提供技术 参数的技术性问题。

实施例2

本发明还提供了一种轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙流动阻力 的测试方法，采用实施例1中所述的轴向压力流与周向剪切流交互影响彼此间隙 流动阻力的测试装置。

该测试方法具体包括以下步骤：

a、按实施例1中的连接关系将各部件进行连接；向封闭腔室内以及飞轮与 上流体隔离件、下流体隔离件之间的间隙内充满液体；

在本实施例中，液体直接采用水，节能环保；

静止时作用于多轴力传感器的力为飞轮的自重和飞轮的浮力的合力F1，静 止时飞轮受阻力转矩的作用；

b、飞轮静止不动，调节液体流进孔、液体流出孔的流量Q，并记录下不同 流量Q下对应的所述多轴力传感器所测得的轴向力F；

c、启动外部驱动装置，带动飞轮旋转；通过调节液体流进孔、液体流出孔 的流量，使得封闭腔室内液体轴向流量为零，从而使得飞轮外侧面上仅有轴向 剪切流动，由于没有轴向流动，因此飞轮所受轴向力不会发生变化；

调节外部驱动装置的转速，并记录下不同转速下所述多轴力传感器测得的 转矩G；

d、通过调节液体流进孔、液体流出孔的流量，使得封闭腔室内液体轴向流 动，调节外部驱动装置的转速为步骤c中对应的第一个转速，同时依次调节轴 向流量为步骤b中对应的轴向流量，分别记录下多轴力传感器所对应的轴向力F 与转矩G；

e、重复步骤d，将步骤d中外部驱动装置的转速调节为步骤c中对应的个 转速，并记录下多轴力传感器所对应的轴向力F与转矩G；

f、将上述各步骤中测得的数据进行列表记录下来，最终得到以下表格(某 一固定流道结构下的实验测量数据)：

表中：m为流量调节组数，n为转速调节组数。

再对表中这些数据进行处理，将转速无量纲化得到泰勒数Ta，轴向流量无 量纲化得到雷诺数Re，最终得到该流到结构的不同雷诺数Re和泰勒数Ta对应 的转矩和轴向力。

进一步的，该测试方法还包括步骤g：改变所述套筒的厚度的尺寸，来改变 外壳与飞轮外侧壁之间的间隙流道结构的参数，并重复步骤a-f；不同的流道结 构采用无量纲数r_i为间隙流道结构的内半径，r₀为间隙流道结构的外半 径；最终将得到不同流道结构下的不同雷诺数Re和泰勒数Ta对应的转矩和轴 向力；通过分析数据，便可以发现轴向压力流与周向剪切流对彼此流动阻力的 交互影响关系。

在本发明优选的实施例中，步骤c中外部驱动装置加减速快慢可以控制。

在本发明优选的实施例中，步骤f中的无量纲化方法可以将本发明测试方法 的结果推广到其他比例尺寸装置。

在本发明优选的实施例中，步骤g中的流道结构无量纲化方法将进一步推广 本发明测试方法的应用范围。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不 脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不 应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发 明的精神和范围之内作出变化和修改。