[发明专利]基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法

说明书

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法,通过搭建罐状间隙环流试验台，测量飞轮端面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律，并将转速和转矩无量纲化，拟合无量纲转矩系数与无量纲转速的函数关系，从而计算额定转速、不同形状下飞轮上、下盘面和阻力转矩；建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系，在总转矩最小处对应的高度尺寸即为能耗最小尺寸，并得到飞轮的半径，从而求得飞轮转动惯量不变时最优外形尺寸，优化过程简单，能够快速、准确地计算出给定转动惯量的最优飞轮外形尺寸，以达到屏蔽电机主泵的能耗最低值，从而提高屏蔽电机主泵的惰转性能。

技术领域

本发明涉及流体机械技术领域，特别涉及一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法。

背景技术

核电、水电、火电这三种发电方式现为实现供电的主要动力能源，为了实现我国核电的发展规划，目前共有在运、在建及拟建的核电机组52台。核主泵是用来将冷水泵入蒸发器转换热能的装置，是核电运转控制水循环的关键设备，目前多采用轴封泵作为堆芯冷却剂主泵。由于历次核事故的出现，各国也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替代。屏蔽式主泵是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，在飞轮半径增大的过程中，尽管增加了飞轮的转动惯量，但是飞轮表面的线速度提高，飞轮间隙流体变形速率增大，飞轮间隙流体的阻力矩和粘性耗散也相应增大，导致屏蔽电机主泵的效率降低，惰转性能变差，因此，屏蔽电机主泵飞轮的直径存在一个最优值，使得屏蔽电机主泵的能耗最低。

发明内容

本发明提供一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构尺寸优化方法，以达到计算最优飞轮外形尺寸，从而降低屏蔽电机主泵的水力功耗，提高屏蔽电机主泵的惰转性能的目的。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于间隙环流阻力特性的屏蔽电机主泵飞轮结构优化方法,所述的优化方法包括以下步骤：

S1.搭建间隙环流试验台，测量飞轮端面和飞轮柱面的阻力转矩随转速的变化规律；

S2.将转速和转矩无量纲化；

S3.拟合无量纲转矩系数与无量纲转速的函数关系；

S4.保持飞轮的转动惯量不变，建立飞轮半径与高度的关系模型；

S5.利用步骤S2中无量纲化后的阻力转矩预测模型，分别计算额定转速、不同形状下的飞轮柱面和飞轮盘面的阻力转矩；

S6.按照步骤S5中计算出的数据，建立额定转速下飞轮阻力转矩相对于飞轮高度的变化关系，将飞轮柱面的阻力转矩和飞轮盘面的阻力转矩相加为总转矩，在总转矩最小时对应的高度尺寸即为屏蔽电机主泵能耗最小时的最优外形尺寸，从而得到飞轮的最优高度h′；

S7.根据步骤S4中飞轮半径与高度的关系模型，代入最优高度h′,得到飞轮的最优半径r′，从而得出当飞轮的转动惯量不变时飞轮的最优外形尺寸。

进一步地，所述的转速和转矩无量纲化为：

飞轮柱面转速无量纲为泰勒数：

飞轮柱面的阻力转矩无量纲为：

飞轮端面转速无量纲为：