泰勒庫特流軸向傳熱測試裝置及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及對流換熱技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種泰勒庫特流軸向傳熱測試裝置及其測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]核主栗作為核反應堆堆芯冷卻劑冷卻介質(zhì)循環(huán)的動力源，被譽為核反應堆的心臟。在役核反應堆主栗中，采用軸封栗作為堆芯冷卻劑主栗。然而歷次核事故的出現(xiàn)對核電安全提出了更高的要求，為了從原理上提高系統(tǒng)安全性，曾被廣泛使用的軸封栗因其高壓動密封這一技術(shù)難點難以突破而被無泄漏的屏蔽栗代替，使用在第三代核電技術(shù)上。屏蔽式主栗通過壓力邊界的轉(zhuǎn)換，將高溫高壓流體引入電機內(nèi)部，采用靜密封方式代替動密封方式，用完整的壓力邊界替代了軸封栗中不完整的壓力邊界，從而提高了堆芯安全性。
[0003]然而將高溫高壓流體引入電機內(nèi)部，給屏蔽栗內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設計帶來了新的挑戰(zhàn)。屏蔽式主栗中，上飛輪處于一回路的高溫冷卻水與上徑向軸承之間，上飛輪區(qū)域具有多個熱源，包括一回路熱量經(jīng)過熱屏傳遞到上飛輪區(qū)域、上飛輪區(qū)域大半徑小間隙引起的高水力功耗，使得上飛輪區(qū)域產(chǎn)生很大的溫度梯度。這一方面導致飛輪結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱載荷，另一方面會導致飛輪下端軸承溫度升高，影響軸承的承載性能。
[0004]此外，由于傳熱特性與流態(tài)相關(guān)，屏蔽電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及間隙流道尺寸均會影響間隙流動的流態(tài)，因此軸向溫度分布隨屏蔽電機運行轉(zhuǎn)速及間隙流道機構(gòu)的變化而變化。而現(xiàn)有研究主要研究熱量沿徑向方向傳遞，軸向傳熱方式測量技術(shù)缺少，無法獲得軸向溫度分布。通常屏蔽電機采用立式安裝結(jié)構(gòu)，在浮升力的作用下會使軸向溫差變大，會對飛輪的完整性和上徑向軸承的使役性能造成嚴重影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種泰勒庫特流軸向傳熱測試裝置，解決現(xiàn)有測試裝置少有研究熱量在間隙環(huán)流中沿軸向的傳遞規(guī)律，難以為屏蔽電機主栗的飛輪間隙流道結(jié)構(gòu)設計提供技術(shù)參數(shù)的問題。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供上述一種泰勒庫特流軸向傳熱測試裝置的測試方法，以解決現(xiàn)在缺少間隙環(huán)流中軸向傳熱測量方法，解決現(xiàn)有測試方法難以為液體潤滑軸承的設計提供技術(shù)參數(shù)的問題。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種泰勒庫特流軸向傳熱測試裝置，包括外殼、上端蓋、下端蓋、飛輪和測試單元;上端蓋和下端蓋分別密封連接所述外殼，與設置在外殼內(nèi)部的飛輪形成罐狀間隙腔室;所述上端蓋提供熱源，所述下端蓋設有將流體通入所述罐狀間隙腔室下盤面間隙內(nèi)的進液口和將混熱后的流體輸出的出液口；所述飛輪通過轉(zhuǎn)軸帶動間隙流體轉(zhuǎn)動，將所述上端蓋的熱量沿軸向經(jīng)罐狀豎面間隙傳遞到下盤面間隙；所述測試單元包括設置在所述外殼上的若干測溫計、設置在所述下端蓋進液口和出液口的測溫計、以及設置在所述下端蓋進液口的流量計。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述飛輪包括內(nèi)部空腔體和外部套圈，所述內(nèi)部空腔體和外部套圈之間固定連接，所述內(nèi)部空腔體固定連接所述轉(zhuǎn)軸。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述內(nèi)部空腔體的兩端部的邊緣呈階梯狀，所述外部套圈的兩端部的內(nèi)邊緣呈階梯狀，所述內(nèi)部空腔體的階梯狀邊緣和所述外部套圈的階梯狀邊緣配合連接。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述內(nèi)部空腔體的端部和所述外部套圈的端部緊密連接，所述內(nèi)部空腔體的非端部的部位和所述外部套圈的非端部的部位之間存在間隙。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述上端蓋包括依次層疊連接的間隙調(diào)整板、熱源基座和蓋板，所述間隙調(diào)整板用于調(diào)整所述上蓋板和所述飛輪之間的間隙，所述熱源基座用于提供熱源，所述蓋板用于蓋住所述熱源基座、以防止熱量向外散失。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述間隙調(diào)整板可拆分，拆分線經(jīng)過所述轉(zhuǎn)軸設置的部位。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述熱源基座內(nèi)設置有若干扇區(qū)蛇形孔流道，通過外部高溫液體在所述蛇形流道內(nèi)的流動產(chǎn)生熱源。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述外殼外壁上設有隔熱層。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述下端蓋的出液口呈L型，從外殼流入下端蓋出液口的流體轉(zhuǎn)彎后從所述下端蓋的邊緣流出。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個所述L型出液口轉(zhuǎn)角處均設有一測溫計，且測溫計的探頭正對來流。
[0017]本發(fā)明還提供一種前述任意一項所述的測試裝置的泰勒庫特流軸向傳熱測試方法，包括以下步驟:
[00? 8] SI:上端蓋提供熱源；
[0019]S2:在外殼內(nèi)注滿液體，飛輪靜止時，熱源以導熱的方式通過上端蓋和間隙內(nèi)的流體傳遞給下端，形成柱面間隙流場，柱面間隙流場溫度呈線性分布；
[0020]S3:驅(qū)動所述轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)軸帶動飛輪在間隙流體中旋轉(zhuǎn)，當轉(zhuǎn)速較低時，間隙流動處于層流狀態(tài)，柱面間隙流場溫度線性分布；
[0021]S4:當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較高時，間隙內(nèi)的流體由于飛輪端面的栗送效應及側(cè)面的離心效應發(fā)生對流及脈動，從而使得上端蓋的熱量通過對流換熱的方式沿著軸向方向傳遞，所述上端面的熱量通過所述飛輪與所述上端蓋間的盤面間隙流體對流換熱帶走，再通過所述外殼與飛輪間的柱面間隙流體對流換熱帶走，再與所述下端蓋中心入口進入的低溫流體混合后從所述下端蓋出液口隨流體帶走；
[0022]S5:通過變換轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，測量出不同轉(zhuǎn)速對應的所述下端蓋上的進液溫度Tl，流量M，出液溫度T2及外殼上的軸向溫度分布，從而獲得軸向傳熱量Q = Cm(T2-Tl)，其中，C為流體比熱容，m為根據(jù)進液口和出液口間的流體流量獲得的質(zhì)量。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還包括步驟S61:更換不同厚度的間隙調(diào)整板，執(zhí)行步驟S4和S5，得到不同盤面間隙寬度情況下的不同轉(zhuǎn)速對應的軸向溫度分布及軸向傳熱量；其中，所述上端蓋包括依次層疊連接的間隙調(diào)整板、熱源基座和蓋板，所述間隙調(diào)整板用于調(diào)整所述上蓋板和所述飛輪之間的間隙，所述熱源基座用于提供熱源，所述蓋板用于蓋住所述熱源基座、以防止熱量向外散失。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，還包括步驟S62:更換不同直徑的飛輪的外部套圈，執(zhí)行步驟S4和S5，得到不同柱面間隙寬度情況下的不同轉(zhuǎn)速對應的軸向溫度分布及軸向傳熱量;其中，所述飛輪包括內(nèi)部空腔體和外部套圈，所述內(nèi)部空腔體和外部套圈之間固定連接，所述內(nèi)部空腔體固定連接所述轉(zhuǎn)軸。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述軸向溫度分布及軸向傳熱量包括穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。
[0026]采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果:外殼、上端蓋和下端蓋之間形成一密封腔體，通過飛輪的轉(zhuǎn)動使得熱量從上端蓋對流傳遞至下端中，飛輪和外殼、上端蓋和下端蓋之間留有間隙，在外殼軸向上分布設置測溫計，用來檢測軸向上相應位置處的溫度，從而可以獲得軸向溫度分布，并在上端蓋上設置測溫計，在下端蓋的進液口和出液口均設置了測溫計，并通過流量計測量流體質(zhì)量，從而可以根據(jù)測量參數(shù)獲得軸向傳熱量。
[0027]本發(fā)明可以進行罐狀間隙流體流動過程中，由于飛輪端面栗送效應及飛輪柱面離心效應引起的盤面卡門渦流、柱面泰勒渦及湍流輸運而引起的熱量軸向傳遞和軸向溫度分布等相關(guān)的快速測試，為大功率屏蔽電機主栗間隙流道結(jié)構(gòu)、飛輪結(jié)構(gòu)及水潤滑軸承結(jié)構(gòu)的設計與優(yōu)化提供技術(shù)參數(shù)?？蓪崿F(xiàn)屏蔽電機上飛輪間隙流體在變轉(zhuǎn)速與變間隙流道結(jié)構(gòu)、變過流表面形貌下因飛輪端面栗送效應和飛輪柱面離心效應產(chǎn)生間隙流體對流，導致熱量沿軸向傳遞的快速測試，為屏蔽電機飛輪間隙流道的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化提供