[發明專利]高溫鉛鉍泵熱工水力性能和腐蝕速率測量實驗系統及方法

有效

• 申請號: 202010926350.6
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN112096622B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 李良星;李翔宇;趙浩翔;王凱琳
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: F04D15/00
• 分類號: F04D15/00;G21C17/00;G01N17/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種高溫鉛鉍泵熱工水力性能和腐蝕速率測量實驗系統，其特征在于，包括氬氣控制回路和實驗測試回路；其中：

氬氣控制回路包括設置在氣體主管道上，并通過主管道串接在一起的氬氣瓶(1)、氬氣緩沖箱(2)、氬氣緩沖罐出口壓力測量裝置(3-12)、第一氣閥(1-1)、第二氣閥(1-2)、第三氣閥(1-3)、第四氣閥(1-4)、第五氣閥(1-5)；

實驗測試回路包括加熱段(8)、鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)、新式高溫鉛鉍泵(5)、鉛鉍泵電機(4)、電磁流量計(7)、鉛鉍儲罐(6)、鉛鉍加熱裝置(9)、鉛鉍控制閥(2-1)、鉛鉍儲罐溫度測量裝置(3-11)、鉛鉍儲罐壓力測量裝置(3-10)、加熱段前溫度測量裝置(3-1)、加熱段前壓力測量裝置(3-2)、加熱段后溫度測量裝置(3-4)、加熱段后壓力測量裝置(3-3)、鉛鉍-氬氣膨脹箱壓力測量裝置(3-5)、鉛鉍-氬氣膨脹箱液位測量計(4-1)、鉛鉍泵前壓力測量裝置(3-7)、鉛鉍泵前溫度測量裝置(3-6、鉛鉍泵后壓力測量裝置(3-8)、鉛鉍泵后溫度測量裝置(3-9)、電磁表面相對流速測量裝置(5-1)；

鉛鉍儲罐(6)的鉛鉍出口管道從儲罐頂部伸出后延伸至第一三通點(A)，鉛鉍儲罐(6)出口管道上焊接鉛鉍控制閥(2-1)；鉛鉍儲罐(6)排氣管道與大氣環境相連，排氣管道上焊接第四氣閥(1-4)；鉛鉍儲罐(6)內設有鉛鉍儲罐溫度測量裝置(3-11)、鉛鉍儲罐壓力測量裝置(3-10)和鉛鉍加熱裝置(9)；加熱段(8)出口管道與鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)相連，加熱段(8)進口連接第一三通點(A)，進口處設置加熱段前溫度測量裝置(3-1)和加熱段前壓力測量裝置(3-2)，出口處設置加熱段后溫度測量裝置(3-4)和加熱段后壓力測量裝置(3-3)；鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)氬氣出口管道與大氣連通，鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)氬氣出口管道上焊接第三氣閥(1-3)；鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)內設有鉛鉍-氬氣膨脹箱壓力測量裝置(3-5)和鉛鉍-氬氣膨脹箱液位測量計(4-1)；鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)鉛鉍出口管道與新式高溫鉛鉍泵(5)相連，新式高溫鉛鉍泵(5)由外部的鉛鉍泵電機(4)驅動，新式高溫鉛鉍泵(5)內設有電磁表面相對流速測量裝置(5-1)，新式高溫鉛鉍泵(5)進口設置鉛鉍泵前溫度測量裝置(3-6)和鉛鉍泵前壓力測量裝置(3-7)，出口處設置鉛鉍泵后溫度測量裝置(3-9)和鉛鉍泵后壓力測量裝置(3-8)，新式高溫鉛鉍泵(5)出口還設置電磁流量計(7)；新式高溫鉛鉍泵(5)出口連接第一三通點(A)，構成實驗測試回路；氬氣瓶(1)出口管道連接氬氣緩沖箱(2)，氬氣瓶(1)出口管道上焊接第一氣閥(1-1)；氬氣緩沖箱(2)出口連接接第二三通點(B)，氬氣緩沖箱(2)與第二三通點(B)之間管道裝有氬氣緩沖罐出口壓力測量裝置(3-12)；第二三通點(B)一端與鉛鉍儲罐(6)頂端相連，一端連接鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)，第二三通點(B)與鉛鉍儲罐(6)連接管道上焊接第五氣閥(1-5)；第二三通點(B)與鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)之間管道上焊接第二氣閥(1-2)；

所述的高溫鉛鉍泵熱工水力性能和腐蝕速率測量實驗系統的實驗方法，包括以下步驟：

步驟1：實驗測試回路充注鉛鉍

回路啟動之前，鉛鉍控制閥(2-1)、所有的氣閥應處于關閉狀態；首先按順序依次打開第四氣閥(1-4)、第五氣閥(1-5)以及第一氣閥(1-1)，觀察氬氣緩沖箱(2)出口、鉛鉍儲罐(6)內的的壓力變化；打開閥門后，氬氣進入鉛鉍儲罐(6)中，排空鉛鉍儲罐(6)內空氣；關閉第一氣閥(1-1)、第四氣閥(1-4)以及第五氣閥(1-5)，對鉛鉍儲罐(6)進行預加熱，使鉛鉍溫度達到300℃；隨后打開第一氣閥(1-1)、第五氣閥(1-5)、第三氣閥(1-3)以及鉛鉍控制閥(2-1)，通過高壓氬氣將鉛鉍合金壓入實驗測試回路之中，觀察鉛鉍儲罐(6)內壓力變化情況；觀察鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)上的鉛鉍-氬氣膨脹箱液位測量計(4-1)，待鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)內鉛鉍液位達到指定高度時，關閉第五氣閥(1-5)和鉛鉍控制閥(2-1)，打開第二氣閥(1-2)，調節第二氣閥(1-2)及第三氣閥(1-3)的開閉，觀察鉛鉍-氬氣膨脹箱(3)內壓力變化情況，待達到指定工作壓力后，關閉第一氣閥(1-1)、第二氣閥(1-2)以及第三氣閥(1-3)；

步驟2：實驗測試回路啟動與運行調試

啟動鉛鉍泵電機(4)，使實驗測試回路中的液態鉛鉍在新式高溫鉛鉍泵(5)的帶動下循環流動，記錄從此刻開始至鉛鉍泵停機的時間；啟動加熱段(8)加熱，觀察加熱段(8)前后及鉛鉍泵前后溫度情況，等待達到實驗要求并保持穩定；

步驟3：進行實驗

實驗測試回路調試完畢后，通過電磁流量計(7)采集實驗測試回路流量信號，通過公式：

其中Q為流量，S為管道截面積；

計算得到新式高溫鉛鉍泵出口的鉛鉍流動速度；通過鉛鉍泵前溫度測量裝置(3-6)、鉛鉍泵后溫度測量裝置(3-9)、鉛鉍泵前壓力測量裝置(3-7)和鉛鉍泵后壓力測量裝置(3-8)，采集鉛鉍泵前后溫度及壓力信號；

通過采集到的新式高溫鉛鉍泵壓力及溫度信號，通過以下公式計算泵的相關熱工水力性能：

新式高溫鉛鉍泵揚程H模擬計算公式

式中：P_inlet——新式高溫鉛鉍泵的進口總壓/Pa；P_outlet——新式高溫鉛鉍泵出口總壓/Pa；ρ——新式高溫鉛鉍合金流體密度/kg·m³；g——重力加速度/m·s²；

新式高溫鉛鉍泵的水力效率η_h計算公式

式中：M——動葉輪壁面上的力矩總和/N·m；ω——葉輪的旋轉角速度/rad·s^-1；

(3)新式高溫鉛鉍泵容積效率η_v計算公式

式中：n_s——軸流鉛鉍泵的設計比轉速；

新式高溫鉛鉍泵總效率η計算

式中：△P_d——新式高溫鉛鉍泵內的摩擦損失，當新式高溫鉛鉍泵的比轉速n_s小于65時，其計算公式為

ΔP_d＝0.133×10^-3ρRe^0.134ω³(D/2)³D²,Re＝10⁶×ω(D/2)²

式中：D為管道的直徑；

當新式高溫鉛鉍泵的比轉速n_s大于65時

ΔP_d＝0.35×10^-2kρω³R⁵,k＝0.8～1

式中：R為平面葉柵所在的圓柱流層半徑；

比轉速n_s以及葉輪的旋轉角速度ω直接由驅動電機的額定參數得到；

軸功率P

此外，采集得到的溫度信號，除計算高溫鉛鉍泵對鉛鉍合金做工造成的影響外，根據實際需求用于其他相關計算；

步驟4：關閉實驗測試回路

待數據采集完畢后，關閉加熱段(8)加熱，關閉鉛鉍泵電機(4)；打開第一氣閥(1-1)，觀察氬氣緩沖箱(2)出口壓力，等待壓力穩定；打開鉛鉍控制閥(2-1)、第二氣閥(1-2)，同時打開第四氣閥(1-4)，使鉛鉍儲罐(6)壓力與大氣壓保持一致；通過高壓氬氣將液態鉛鉍壓入鉛鉍儲罐(6)中；待液態鉛鉍全部流回鉛鉍儲罐(6)之后，關閉全部閥門；

步驟5：拆卸鉛鉍泵

實驗測試回路工作一定時間后，待回路停機時，打開封口，將新式高溫鉛鉍泵葉片從實驗測試回路中拆卸并取出；

步驟6：觀察葉片腐蝕速率

取出新式高溫鉛鉍泵葉片，首先用溶液將表面的鉛鉍合金清洗干凈，隨后用掃描儀掃描記錄鉛鉍泵葉片腐蝕情況，通過掃描得到新式高溫鉛鉍泵葉片表面的腐蝕深度以及腐蝕位置，結合測量得到的鉛鉍泵出口鉛鉍合金流速以及鉛鉍泵工作使用時間，做出腐蝕深度與鉛鉍合金流速以及工作時間的關系圖，用以判讀新式高溫鉛鉍泵葉片的腐蝕速率；同時，集合腐蝕分布圖，能夠在未來針對相關位置進行優化調整。

2.根據權利要求1所述的高溫鉛鉍泵熱工水力性能和腐蝕速率測量實驗系統，其特征在于：所述新式高溫鉛鉍泵(5)由外部電機(4)驅動，新式高溫鉛鉍泵(5)能夠快速拆卸安裝，新式高溫鉛鉍泵(5)包括泵軸(51)及泵葉片(52)，葉片(52)位于泵軸(51)上，直接插入管道內使用；根據高溫鉛鉍泵的特點，分為入口段、升壓段、葉片段及出口段。