本發(fā)明涉及流體機械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于間隙環(huán)流阻力特性的屏蔽電機主泵飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

核電、水電、火電這三種發(fā)電方式現(xiàn)為實現(xiàn)供電的主要動力能源，為了實現(xiàn)我國核電的發(fā)展規(guī)劃，目前共有在運、在建及擬建的核電機組52臺。核主泵是用來將冷水泵入蒸發(fā)器轉(zhuǎn)換熱能的裝置，是核電運轉(zhuǎn)控制水循環(huán)的關(guān)鍵設(shè)備，目前多采用軸封泵作為堆芯冷卻劑主泵。由于歷次核事故的出現(xiàn)，各國也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泵因其高壓動密封這一技術(shù)難點而被無泄漏的屏蔽泵替代。屏蔽式主泵是通過壓力邊界的轉(zhuǎn)換，將高壓流體引入電機內(nèi)部，采用靜密封代替動密封，用完整的壓力邊界替代了軸封泵不完整的壓力邊界，從而提高了堆芯安全性，然而屏蔽式主泵由于受到較大的流體阻力，并且在安全性設(shè)計對斷電工況下主泵惰轉(zhuǎn)性能提出了更高要求，因此該屏蔽式主泵在結(jié)構(gòu)上需增加大慣量飛輪，以滿足系統(tǒng)惰轉(zhuǎn)慣量的要求。

然而，在飛輪半徑增大的過程中，盡管增加了飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，但是飛輪表面的線速度提高，飛輪間隙流體變形速率增大，飛輪間隙流體的阻力矩和粘性耗散也相應(yīng)增大，導(dǎo)致屏蔽電機主泵的效率降低，惰轉(zhuǎn)性能變差，因此，屏蔽電機主泵飛輪的直徑存在一個最優(yōu)值，使得屏蔽電機主泵的能耗最低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于間隙環(huán)流阻力特性的屏蔽電機主泵飛輪結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法，以達到計算最優(yōu)飛輪外形尺寸，從而降低屏蔽電機主泵的水力功耗，提高屏蔽電機主泵的惰轉(zhuǎn)性能的目的。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種基于間隙環(huán)流阻力特性的屏蔽電機主泵飛輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,所述的優(yōu)化方法包括以下步驟：

s1.搭建間隙環(huán)流試驗臺，測量飛輪端面和飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律；

s2.將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱化；

s3.擬合無量綱轉(zhuǎn)矩系數(shù)與無量綱轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系；

s4.保持飛輪的轉(zhuǎn)動慣量不變，建立飛輪半徑與高度的關(guān)系模型；

s5.利用步驟s2中無量綱化后的阻力轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型，分別計算額定轉(zhuǎn)速、不同形狀下的飛輪柱面和飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩；

s6.按照步驟s5中計算出的數(shù)據(jù)，建立額定轉(zhuǎn)速下飛輪阻力轉(zhuǎn)矩相對于飛輪高度的變化關(guān)系，將飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩和飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩相加為總轉(zhuǎn)矩，在總轉(zhuǎn)矩最小時對應(yīng)的高度尺寸即為屏蔽電機主泵能耗最小時的最優(yōu)外形尺寸，從而得到飛輪的最優(yōu)高度h′；

s7.根據(jù)步驟s4中飛輪半徑與高度的關(guān)系模型，代入最優(yōu)高度h′,得到飛輪的最優(yōu)半徑r′，從而得出當飛輪的轉(zhuǎn)動慣量不變時飛輪的最優(yōu)外形尺寸。

進一步地，所述的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱化為：

飛輪柱面轉(zhuǎn)速無量綱為泰勒數(shù)：

飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱為：

飛輪端面轉(zhuǎn)速無量綱為：

飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱為：

其中，ω為飛輪角速度，r為飛輪半徑，d為柱面間隙尺寸，υ為間隙流體的運動年度，t柱為柱面轉(zhuǎn)矩，h為飛輪高度，ρ為間隙流體密度,a為飛輪盤面間隙高度,t盤為盤面阻力轉(zhuǎn)矩。

進一步地，擬合所述飛輪柱面無量綱阻力轉(zhuǎn)矩及飛輪盤面無量綱阻力轉(zhuǎn)矩隨無量綱轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)關(guān)系為：

g柱＝0.009ta^0.39

g盤＝0.065re^-0.2

其中，ta為飛輪柱面轉(zhuǎn)速，re為飛輪端面轉(zhuǎn)速。

進一步地，所述的無量綱轉(zhuǎn)矩與無量綱轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系采用最小二乘法擬合計算。

進一步地，所述的飛輪為同心圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量為0.5m(r²-ri²),假設(shè)所需轉(zhuǎn)動慣量為c，保持飛輪轉(zhuǎn)動慣量不變，得到飛輪半徑與高度的關(guān)系模型為：

其中，h為飛輪高度，ρ為間隙流體密度，ri為飛輪與轉(zhuǎn)軸配合安裝孔內(nèi)徑。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果：

1.本發(fā)明是基于間隙環(huán)流阻力特性，來對屏蔽電機主泵的飛輪結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化計算，優(yōu)化過程簡單，能夠快速、準確地計算出給定轉(zhuǎn)動慣量的最優(yōu)飛輪外形尺寸，以達到屏蔽電機主泵的能耗最低值，從而提高屏蔽電機主泵的惰轉(zhuǎn)性能；

2.本優(yōu)化方法適用范圍廣，只需獲取主泵的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)相似原理，通過轉(zhuǎn)速、阻力轉(zhuǎn)矩的無量綱關(guān)系，即可推廣到不同主泵實際的高速運行工況下，從而降低成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明優(yōu)化方法的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中飛輪半徑隨飛輪高度變化的曲線圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中飛輪阻力轉(zhuǎn)矩隨飛輪高度變化的曲線圖；

圖4是本發(fā)明實施例1中飛輪總能耗隨飛輪高度變化的曲線圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的技術(shù)方案進一步詳細說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

本發(fā)明提供一種屏蔽電機主泵飛輪結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化方法，是基于間隙環(huán)流阻力特性，提供飛輪在轉(zhuǎn)動慣量不變下能耗最小的結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化計算，以達到最優(yōu)飛輪外形尺寸，優(yōu)化過程簡單，能夠快速、準確地計算出給定轉(zhuǎn)動慣量的最優(yōu)飛輪外形尺寸，以達到屏蔽電機主泵的能耗最低值，從而提高屏蔽電機主泵的惰轉(zhuǎn)性能。

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明中記載的技術(shù)方案進行進一步陳述。

實施例1

參見圖1的流程示意圖，本發(fā)明中的優(yōu)化方法包括以下步驟：

s1.搭建間隙環(huán)流試驗臺，測量飛輪端面和飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的

變化規(guī)律；

s2.將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱化為：

飛輪柱面轉(zhuǎn)速無量綱為泰勒數(shù)：

飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱為：

飛輪端面轉(zhuǎn)速無量綱為雷諾數(shù)：

飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩?zé)o量綱為：

其中，ω為飛輪角速度，r為飛輪半徑，d為柱面間隙尺寸，υ為間隙流體的運動年度，t柱為柱面轉(zhuǎn)矩，h為飛輪高度，ρ為間隙流體密度,a為飛輪盤面間隙高度,t盤為盤面阻力轉(zhuǎn)矩；

s3.擬合無量綱轉(zhuǎn)矩系數(shù)與無量綱轉(zhuǎn)速的函數(shù)關(guān)系，具體地，可采用最小

二乘法擬合計算飛輪柱面無量綱阻力轉(zhuǎn)矩及飛輪盤面無量綱阻力轉(zhuǎn)矩隨

無量綱轉(zhuǎn)速變化的函數(shù)關(guān)系為：

g柱＝0.009ta^0.39

g盤＝0.065re^-0.2

其中，ta為飛輪柱面轉(zhuǎn)速，re為飛輪端面轉(zhuǎn)速；

上式中，g盤為盤面無量綱轉(zhuǎn)矩系數(shù)與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系，g柱為柱面無量綱轉(zhuǎn)矩系數(shù)與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系；

s4.保持飛輪的轉(zhuǎn)動慣量不變，建立飛輪半徑與高度的關(guān)系模型,

具體地，由于飛輪一般為同心圓柱體，其轉(zhuǎn)動慣量為0.5m(r²-ri²),假設(shè)所需轉(zhuǎn)動慣量為c，保持飛輪轉(zhuǎn)動慣量不變，則可得到飛輪半徑與高度的關(guān)系模型為：

其中，h為飛輪高度，ρ為間隙流體密度，ri為飛輪與轉(zhuǎn)軸配合安裝孔內(nèi)徑；

s5.利用步驟s2中無量綱化后的阻力轉(zhuǎn)矩預(yù)測模型，分別計算額定轉(zhuǎn)速、不同形狀下的飛輪柱面和飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩；

s6.按照步驟s5中計算出的數(shù)據(jù)，建立額定轉(zhuǎn)速下飛輪阻力轉(zhuǎn)矩相對于飛輪高度的變化關(guān)系(可通過曲線圖等形式標示出)，其中，飛輪柱面的阻力轉(zhuǎn)矩和飛輪盤面的阻力轉(zhuǎn)矩相加則為總轉(zhuǎn)矩，當在總轉(zhuǎn)矩最小時對應(yīng)的高度尺寸即為屏蔽電機主泵能耗最小時的最優(yōu)外形尺寸，從而得到飛輪的最優(yōu)高度h′；

s7.根據(jù)步驟s4中飛輪半徑與高度的關(guān)系模型，代入最優(yōu)高度h′,得到飛輪的最優(yōu)半徑r′，從而可得出當飛輪的轉(zhuǎn)動慣量不變時飛輪的最優(yōu)外形尺寸。

參見圖2至圖4，從這三個曲線圖中可明顯看出，當飛輪轉(zhuǎn)動慣量保持不變時，飛輪外半徑增加，飛輪高度將減小，隨著飛輪高度的減小，飛輪的盤面(即端面)阻力轉(zhuǎn)矩逐漸增加，而飛輪的柱面阻力轉(zhuǎn)矩逐漸減小，因此飛輪的外形尺寸存在最優(yōu)形狀，使得盤面轉(zhuǎn)矩加柱面轉(zhuǎn)矩達到最小，即總轉(zhuǎn)矩最小，此時屏蔽電機主泵的能量消耗最小，由此，可推算出屏蔽電機主泵能量消耗最小時的飛輪最優(yōu)外形尺寸。

另外，本優(yōu)化方法可根據(jù)相似原理，通過轉(zhuǎn)速、阻力轉(zhuǎn)矩的無量綱關(guān)系，只需獲取主泵的相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，即可推廣到不同主泵實際的高速運行工況下，適用范圍廣泛，利于推廣。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。