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装置及方法与流程

本发明涉及机械测试装置设计的技术领域，具体涉及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上飞轮处于一回路的高温冷却水与上径向轴承之间，一回路热量经过热屏传递到上飞轮区域，使得上飞轮区温度很高。而在上飞轮区域的下方就是径向轴承，为了冷却径向轴承，在径向轴承内外均开设流道，内部流道通过飞轮下端盘面间隙经回流孔流出与外部流道混合。

然而由于回流孔的开设会产生一个附加的轴向力，对增加推力轴承的载荷。此外由于飞轮端面的泵送效应，导致内外流道的分流比发生变化，因此在特殊工况下对径向轴承的承载能力造成影响。

因此，需要一种对带回流孔盘面间隙环流在不同转速、回流孔位置和间隙宽度下径向压力流阻及非对称轴向力进行测量的装置和方法，来为大功率屏蔽电机主泵回流孔的结构设计与优化提供技术参数，为推力轴承设计提供部分载荷参数。

技术实现要素：

本发明目的在于提供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及装置，以解决现有技术具有很大动密封摩擦力不能准确测量附加轴向力及阻力系数，从而难以为大功率屏蔽电机主泵内冷回路回流孔的结构设计和推力轴承载荷评估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；所述下端盖上端中心处设有一凹陷部，所述转轴的下端伸进所述凹陷部内并形成环形间隙，所述转轴的上端穿过所述上端盖的中部与外部驱动装置连接；所述转轴相对于所述上端盖和下端盖转动；

所述封闭腔室内设有套设在所述转轴上的流体驱动圆盘、流体隔离罩、密封腔体、多轴力传感器；所述流体驱动圆盘的下端面与所述下端盖的上端面相对形成一盘面间隙；所述密封腔体的下端与所述流体驱动圆盘的上端固定连接；所述多轴力传感器位于所述密封腔体内，所述多轴力传感器与密封腔体以及转轴固定连接；所述流体隔离罩盖设在所述密封腔体上，且位于所述流体驱动圆盘上方，所述流体隔离罩与所述转轴固定连接；所述转轴上多轴力传感器上的转矩仅来自于所述流体驱动圆盘；

所述下端盖上中心处设置有与所述凹陷部相通的进入孔，所述下端盖内周向均布有多个流出孔，每个流出孔上均设置有连通所述流出孔和所述封闭腔室的回流孔；液体自所述进入孔进入到所述封闭腔室内，再依次从所述回流孔、流出孔回流出来；所述进入孔、流出孔上设置有压力传感器，所述进入孔上还设置有流量计。

较佳地，所述流体隔离罩下端开口上设置有凸起结构，所述流体驱动圆盘上对应位置处设置有凹槽结构，所述凸起结构插进所述凹槽结构内，且所述流体驱动圆盘与所述流体隔离罩之间、所述凸起结构与所述凹槽结构之间没有力传递。

较佳地，，所述密封腔体包括有一下端开口的空腔结构，所述空腔结构套设在所述转轴上，且所述空腔结构的下端与所述流体驱动圆盘固定连接形成完整的密封腔体。

较佳地，所述密封腔体还包括一上盖板，所述上盖板固定设置在所述空腔结构外侧顶部，且所述上盖板套设在所述转轴上。

较佳地，，所述上盖板与所述空腔结构之间、所述空腔结构与所述流体驱动圆盘之间均设置有密封圈。

较佳地，所述上盖板与所述转轴之间油封结构。

较佳地，所述上端盖、下端盖与所述转轴之间均设置有油封结构。

较佳地，，所述流出孔沿所述下端盖的径向设置，且所述流出孔的流出端位于所述下端盖的侧面；

每个所述流出孔上均设置有多个回流孔，所述回流孔垂直于所述流出孔，所述回流孔的一端连接所述流出孔，另一端延伸至所述下端盖的上端面。

较佳地，多个所述回流孔中，其中一个所述回流孔的出口相对处设置有压力传感器，其余所述回流孔上设置有控制通断的螺塞。

较佳地，所述螺塞与所述压力传感器可以互换位置进行安装设置。

较佳地，所述螺塞的外径上设置有用于安装到所述下端盖上的第一螺纹，所述压力传感器的外径上设置有用于安装到所述下端盖上的第二螺纹，所述第一螺纹与所述第二螺纹尺寸、形状相同。

较佳地，所述下端盖的内表面上还设置有一用于调整所述流体驱动圆盘与所述下端盖之间盘面间隙尺寸的调整圆盘，所述调整圆盘上与所述回流孔对应位置处设置有连接所述回流孔和所述封闭腔室的通孔。

较佳地，所述多轴力传感器包括轴向力测量单元和扭矩测量单元。

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，采用如上所述的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装置，包括以下步骤：

a、按权利要求1以所述的连接关系将各部件进行连接；静止时所述多轴力传感器只受轴向力作用，所述多轴力传感器所测量的轴向力为所述密封腔体和流体驱动圆盘的重量F1；

b、向所述封闭腔室中注满液体；

c、启动所述外部驱动装置，使得所述转轴转动，所述转轴带动所述流体驱动圆盘及流体隔离罩一起旋转，所述流体驱动圆盘转动带动所述封闭腔室内的液体从所述流出孔流出；

所述转轴转动稳定后，记录下其转速W；同时记录下，所述多轴力传感器的扭矩测量单元的数值G，所述多轴力传感器的轴向力测量单元的数值F2，所述进入孔上压力传感器的数值P1，所述流出孔上压力传感器的数值P2；流量计的流量为Q，进入孔的截面积为A，液体的密度为ρ；

由此得到，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力为F1-F2，阻力系数为

较佳地，还包括：

d、控制驱动装置来改变所述转轴的转速，重复步骤c，并得到不同转速下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

较佳地，每个所述流出孔上均设置有多个回流孔，其中一个所述回流孔的出口相对处设置有压力传感器，其余所述回流孔上设置有控制通断的螺塞；测试方法还包括：

e、通过调节所述螺塞和压力传感器的在不同回流孔内的设置位置，以及螺塞的通断，重复步骤b-c，得到在不同回流孔位置下、不同回流孔数量下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

较佳地，所述下端盖的内表面上还设置有一用于调整所述流体驱动圆盘与所述下端盖之间盘面间隙尺寸的调整圆盘；测试方法还包括：

f、更换不同厚度的所述调整圆盘，重复步骤a-c，得到不同盘面间隙下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

较佳地，所述液体采用水。

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：

本发明提供的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装置及方法，可以实现带回流孔的盘面间隙环流在不同转速、间隙宽度、流量、回流孔位置和数量条件下径向压力流动阻力和轴向非对称轴向力大小的测试，为大功率屏蔽电机主泵的内冷回路回流孔结构设计与优化提供参考数据，为推力轴承载荷评估提供参数。

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为本发明提供的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装置的结构示意图；

图2为本发明中下端盖的剖视图。

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。

本发明提供了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装置及方法，可实现变盘面间隙、变流体出口径向位置和数量、变流量、变盘面转速的情况下，在盘面泵送效应作用下的非对称轴向力及径向压力流动阻力系数的快速测试，为屏蔽电机主泵的内冷回路回流孔结构设计与优化提供参考数据，为推力轴承载荷评估提供参数。

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装置，包括上端盖2、外壳6、下端盖10、转轴28；壳体6呈一上下端开口的桶状结构，上端盖2、下端盖10分别盖设在外壳6的上下端上组成一封闭腔室，转轴28的一端穿设在封闭腔室内。封闭腔室内设有套设在转轴28上的流体驱动圆盘9、流体隔离罩3、密封腔体、多轴力传感器24；流体驱动圆盘9的下端面与下端盖10的内表面相对形成盘面间隙；密封腔体的下端与流体驱动圆盘9的上端固定连接；多轴力传感器24位于密封腔体内，多轴力传感器24与密封腔体的上端以及转轴28固定连接；流体隔离罩盖3盖设在密封腔体上，且位于流体驱动圆盘9上方，流体隔离罩3与转轴28固定连接；下端盖10上中心处设置有进入孔，下端盖10内周向均布有多个流出孔18，下端盖10上每个流出孔处均设置有连通流出孔和封闭腔室的回流孔11；液体自进入孔进入到封闭腔室内，再依次从回流孔11、流出孔18回流出来；进入孔、流出孔18上设置有压力传感器12、15、17，进入孔上还设置有流量计14。

在本实施例中，转轴28的上端穿过上端盖2的中部与外部驱动装置连接，转轴28与上端盖2之间还设置有密封装置，具体为油封结构，从而保证了密封腔体的密封性；外部驱动装置带动转轴28转动，转轴28可相对于上端盖2和下端盖10转动。

在本实施例中，下端盖10上端面中心处设置有一凹陷部30，转轴28的下端伸进凹陷部30内，转轴28下端与凹陷部30之间形成环形间隙；本发明在下端盖10上设置凹陷部30，并使得转轴28的下端伸进凹陷部30内，使得转轴28在转动的时候对密封腔体内流体起到预旋转的作用，从而能够全方面的模拟核主泵内流体的状态。

在本实施例中，密封腔体包括一下端开口的空腔结构7，空腔结构7套设在转轴28上，且空腔结构7的下端与流体驱动圆盘9通过螺钉等方式固定连接，从而形成一完整的密封腔体。多轴力传感器24位于空腔结构7与流体驱动圆盘9组成的密封腔体内，且多轴力传感器24固定套设在转轴28上，多轴力传感器24的上端通过螺钉等方式固定连接在空腔结构7的顶部。具体的，多轴力传感器24通过法兰23连接到转轴28上，多轴力传感器24的下端与法兰23通过螺钉等方式同轴固定连接，法兰23也套设在转轴28上，法兰23的内圈与转轴28之间通过键29连接，法兰23的下端还设置有一套设在转轴28上的锁紧螺母22，从而将多轴力传感器24固定到转轴28上；当然，多轴力传感器24与转轴28之间的连接方式不仅仅局限于以上所述，也可根据具体情况来设计，此处不作限制。

本实施例中，密封腔体还包括一上盖板26，上盖板26也套设在转轴28上，上盖板28与空腔结构7通过螺钉等方式固定连接；由于多轴力传感器24通过螺钉的方式连接到空腔结构7的顶部上，螺钉连接处会存在一定的间隙，本发明通过在空腔结构7的顶部加设一上盖板26，从而防止流体从此处进入到密封腔体内，影响多轴力传感器24正常工作。在本实施例中，上盖板26与空腔结构7的连接处设置有O型密封圈25，上盖板26与转轴28之间设有油封结构27，空腔结构7与流体驱动圆盘9之间设置有O型密封圈21，流体驱动圆盘9与转轴之间设置有油封结构8，本发明通过上述各密封结构的设置，从而保证了密封腔体的密封性能。

在本实施例中，流体隔离罩3下端开口，通过键4和锁紧螺母5固定在转轴28上；流体隔离罩3盖设在密封腔体上，且位于流体驱动圆盘9的上方；本发明在流体驱动圆盘9的上方设置一流体隔离罩3，主要目的是将作用在密封腔体上的流体进行隔离开来，防止侧面流体对流体驱动圆盘端面扭矩测量产生影响。

进一步的，流体隔离罩3下端开口无限接近流体驱动圆盘9上端面的边缘，但流体隔离罩3与流体驱动圆盘9之间无力的传递，从而保证了转轴28上多轴力传感器24上的转矩仅来自于流体驱动圆盘。具体的，流体隔离罩3的下端与流体驱动圆盘9之间的最小间隙处设置有凸起结构、凹槽结构，具体的流体隔离罩3下端开口上设置有凸起结构31，流体驱动圆9上对应位置处设置有凹槽结构32，凸起结构31插进凹槽结构32内，且凸起结构31与凹槽结构32之间没有力传递；凸起结构、凹槽结构的设置用于减小离心力的作用下导致流体驱动圆盘9与流体隔离罩3之间的流体往外流出，从而影响测试结构。

在本实施例中，多轴力传感器24包括轴向力测量单元和扭矩测量单元，扭矩测量单元用于计算外界输入间隙流场的机械功，轴向力测量单元用于测量由于下端面回流孔的开设产生的非对称轴向力。在本实施例中，转轴28为一空心轴，以便于多轴力传感器24的信号线通过空心轴往外传输信号。

在本实施例中，结合图1和图2，多个下端盖10内设置有多个流出孔18，多个流出孔18均沿下端盖10的径向设置，且流出孔18的流出端位于下端盖10的侧面；多个流出孔18周向均布在下端盖10内，流出孔18的设置数目可根据具体情况来进行设定，在本实施例中下端盖10上设置有10个流出孔18，也可设置有4个、8个等，此处不作限制。

在本实施例中，每个流出孔18上均设置有多个回流孔11，回流孔11的设置位置以及设置数目均可根据具体情况来进行调整，此处不作限制，本实施例中每个流出孔18上设置有三个回流孔11；回流孔11垂直于流出孔18，回流孔11的一端连接流出孔18，另一端延伸至下端盖10的上端面上，从实现连通流出孔8和封闭腔室的作用。

在本实施例中，多个回流孔11中，其中一个回流孔11的出口相对处设置有压力传感器17、12，其余回流孔11上设置有控制通断的螺塞16、13。其中，螺塞的外径与压力传感器可以互换位置进行安装设置；例如，如图1中所示，当需要最外侧的回流孔11打开的时候，另外两个回流孔11通过螺塞塞住，压力传感器位于最外侧回流孔出口处；当需要最里侧的回流孔打开的时候，可将该处的螺塞与最外侧的回流孔处的压力传感器进行位置互换，从而可方便的实现回流孔设在不同位置处的测试。

进一步的，螺塞的外径上设置有用于安装到下端盖上的第一螺纹，压力传感器的外径上设置有用于安装到下端盖10上的第二螺纹，所述第一螺纹与所述第二螺纹尺寸、形状相同，从而保证能够实现螺塞与压力传感器之间的互换。

在本实施例中，下端盖10的上端上还设置有一用于调整流体驱动圆盘9与下端盖19之间盘面间隙尺寸的调整圆盘19，调整圆盘19上与回流孔11对应位置处设置有连接回流孔11和封闭腔室的通孔。其中，可准备有多个厚度的调整圆盘19，在测试过程中通过更换不同厚度的调整圆盘19，来调整流体驱动圆盘9与下端盖19之间盘面间隙的宽度，进行试验。

实施例2

本发明还提供了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，采用实施例1中所述的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装置。

该测试方法具体包括以下步骤：

a、按实施例1中所述的连接关系将各部件进行连接；静止时多轴力传感器24只受轴向力作用，多轴力传感器24所测量的轴向力为密封腔体(空腔结构7和上盖板26)和流体驱动圆盘的重量F1；

b、向封闭腔室中注满液体；

在本实施例中，液体直接采用水，节能环保；

c、启动外部驱动装置，使得转轴28转动，转轴28带动流体驱动圆盘及流体隔离罩2一起旋转，流体驱动圆盘9转动带动封闭腔室内的液体从流出孔18流出；

转轴28转动稳定后，记录下转轴28的转速W；同时记录下，多轴力传感器24的扭矩测量单元的数值G，多轴力传感器24的轴向力测量单元的数值F2，进入孔上压力传感器的数值P1，流出孔18上压力传感器的数值P2，流量计的流量为Q，进入孔的截面积为A，液体的密度为ρ；

由此得到，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力为F1-F2，阻力系数为

进一步的，该测试方法还包括以下步骤：

d、控制驱动装置来改变所述转轴的转速，重复步骤c，并得到不同转速下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

进一步的，该测试方法还包括以下步骤：

e、通过调节螺塞和压力传感器的在不同回流孔11内的设置位置，以及螺塞的通断，重复步骤b-c或步骤b-d，得到在不同回流孔位置下、不同回流孔数量下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

进一步的，该测试方法还包括以下步骤：

f、更换不同厚度的调整圆盘19，重复步骤a-c或步骤a-d或步骤a-e，得到不同盘面间隙下，带回流孔盘面间隙处产生的非对称轴向力和阻力系数。

在本实施例中，步骤c、d、e、f中的转速、间隙宽度、回流孔位置和流量进行无量化处理，以推广实用范围。

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。