一种防回流的晃荡工况下凝结水锤试验装置

本发明涉及传热学及流体力学领域，尤其涉及一种防回流的晃荡工况下凝结水锤试验装置。

背景技术：

1、气液直接接触冷凝具有高效的传热传质特性，但由此导致的凝结水锤问题普遍存在于核动力系统、蒸汽动力系统以及海洋非能动余热排出系统等能源动力装置中，该现象引起的水锤冲击会严重破坏管路及相关设备，影响系统的安全运行。研究凝结水锤现象及其载荷特性对于海洋核动力系统的安全运行有着十分重要的意义，受到了国内外研究机构和学者们的广泛关注。海洋核动力装置由于船舶及海上平台受到风、浪、涌等外部环境的作用发生晃荡运动，影响管内气液两相流动传热特性，对凝结水锤的形成和载荷特性造成显著影响，导致海洋核动力装置中的凝结水锤现象较陆上环境更为复杂，因此需要开展晃荡工况下的凝结水锤试验，掌握海上晃荡条件下的凝结水锤特性。

2、开展晃荡工况下的凝结水锤试验面临以下几个方面的问题与挑战：1、开展实尺度系统下的晃荡工况凝结水锤试验，从安全性与经济性角度考虑是难以接受的；2、开展缩比尺度系统的晃荡工况凝结水锤试验，需要对管径进行等比例缩小，而凝结水锤的形成与载荷特性与管径尺寸密切相关，因而不能对管径进行缩比；3、晃荡工况下，随着管道倾斜，管道内及外部冷源的冷水会倒灌进蒸汽系统，严重影响系统安全。

3、基于上述几点考虑，有必要发明一套用于晃荡工况下凝结水锤测试的试验装置，满足凝结水锤的几点测试需求：1、能够开展实尺度管径下的凝结水锤测试；2、能够模拟实际系统发生凝结水锤的进出口边界条件特征；3、能够防止由于管道摇摆倾斜导致的冷水倒灌进入蒸汽系统。

4、因此，本领域的技术人员致力于开发一种防回流的晃荡工况下凝结水锤试验装置，解决上述问题并实现海上晃荡条件下的凝结水锤试验测试。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种用于模拟海上晃荡条件下凝结水锤测试的试验装置，能够成功模拟海洋核动力装置发生凝结水锤的进出口边界条件并在六自由度晃荡工况下对实尺度管径的测试段管道进行凝结水锤测试试验，且在试验过程中能防止由于管道摇摆倾斜导致的冷水倒灌进入蒸汽系统，保证试验过程的安全稳定。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种防回流的晃荡工况下凝结水锤试验装置，其特征在于，包括主回路蒸汽管道、防回流装置和测试段管道，其中，所述防回流装置包括蒸汽注入通道、过冷水管道、挡板和扭转弹簧，所述主回路蒸汽管道与蒸汽发生器和所述蒸汽注入通道相连，所述测试段管道与所述过冷水管道相连，所述蒸汽注入通道与所述过冷水管道相连，所述蒸汽注入通道与所述过冷水管道相连的一端安装有所述挡板，所述挡板和所述蒸汽注入通道通过所述扭转弹簧相连。

3、进一步地，所述防回流装置固定在六自由度晃荡台上，所述主回路蒸汽管道通过第一软管与所述防回流装置相连，所述防回流装置通过法兰与所述测试段管道相连，所述测试段管道通过第二软管与水箱相连，所述水箱与冷水机相连。

4、进一步地，所述防回流装置还包括腔体外壳，所述腔体外壳由五块不锈钢方板和一块亚克力方板拼接成正方体结构，所述蒸汽注入通道通过螺栓与所述腔体外壳的顶板固定连接，所述蒸汽注入通道采用聚碳酸酯材质。

5、进一步地，所述第一软管通过法兰与所述腔体外壳相连，所述第一软管为内衬四氟金属软管，用于将高温蒸汽注入所述蒸汽注入通道。

6、进一步地，所述主回路蒸汽管道由第一涡街流量计、第一热电偶、第一静压传感器、气液分离器、第一球阀、第一电动调节阀、质量流量计、第二热电偶、第二静压传感器、第二涡街流量计、第二球阀、第三热电偶和第三静压传感器依次连接组成，所述第一涡街流量计与所述蒸汽发生器相连，所述第三静压传感器与所述防回流装置相连。

7、进一步地，还包括旁通支路，所述旁通支路连接在所述第一涡街流量计和所述第一热电偶之间的管路上，所述旁通支路包括第一支路和第二支路，所述第一支路包括第二电动调节阀和第四球阀，所述第二支路包括第五球阀和空压机。

8、进一步地，还包括末端支路，所述末端支路连接在所述第二涡街流量计和所述第二球阀之间的管路上，所述末端支路包括第三球阀、第四热电偶和第四静压传感器。

9、进一步地，所述防回流装置还包括重块，所述重块安装在所述挡板上，所述扭转弹簧的刚度与所述重块的质量满足实验开始前所述挡板受到的所述扭转弹簧的回复力矩等于所述重块施加的外力矩，所述挡板处于闭合状态。

10、进一步地，所述蒸汽注入通道的倾斜角度为135°。

11、进一步地，所述挡板和所述重块均采用不锈钢材质，所述挡板和所述重块采用焊接的方式连接。

12、海上晃荡条件下，管道摇摆倾斜会导致冷水倒灌进入蒸汽系统，本发明在测试段管道前端设计了防回流装置，巧妙利用防回流装置内的挡板、重块及扭转弹簧间的力学关系，使得管道上倾导致过冷水倒灌时，挡板闭合，对于其他无倒灌工况，挡板打开，蒸汽正常注入，能够防止冷水倒灌进入蒸汽系统发生不可控的凝结水锤，保障试验系统安全稳定运行。

13、同时，本发明为了模拟实际系统发生凝结水锤的进口边界条件特征，使蒸汽不直接注入测试段，而是先经由防回流装置内的蒸汽注入管道进入与测试段管道连通的过冷水管道，装置的封闭腔体内是高温气液两相流，用以模拟进口边界。采用多功能原则，使防回流装置防止冷回流的同时，可以用作模拟实际凝结水锤发生的高温气液两相流的进口边界，蒸汽经由防回流装置进入测试段管道，可以避免外界环境的干扰，使得试验可以在任何季节进行。

14、为了保证进入测试段的蒸汽流量、温度和压力满足试验工况要求，本发明设置了旁通支路和末端支路分别配合主回路调节蒸汽的流量及温度压力参数，在实验开始前完成蒸汽物性的调节，可以在试验前精确调节蒸汽的物性参数，避免试验开始后再进行蒸汽的物性调节，保障了试验的科学性。

15、本发明采用以上技术方案，其具有以下优点：

16、1、本发明的末端支路和旁通支路，可以配合主回路对蒸汽的温度、压力和流量进行调节，保证注入测试段的蒸汽物性符合试验工况所需。

17、2、本发明的防回流装置和主回路管道通过软管连接，固定在晃荡台上，测试段管道通过法兰与防回流装置连接，通过软管与水箱连接，可以实现测试段管道的六自由度晃荡运动。

18、3、本发明的防回流装置采取弹簧连接挡板和蒸汽注入通道，在没有蒸汽注入时，由于扭转弹簧的回复力矩与重物施加的外力矩平衡，依靠结构限位挡板处于闭合状态，过冷水无法进入蒸汽注入通道。

19、4、本发明的防回流装置的蒸汽注入通道具有135°的倾斜角度，使得注入的蒸汽速度同时具有垂直于挡板以及平行于过冷水管道的分量，其中蒸汽的垂直于挡板的速度分量用于提供使挡板打开的压力，平行于过冷水管道的分速度量保证蒸汽注入时有朝向测试段的水平速度，使得注入的蒸汽流向凝结水锤载荷测试段，保证凝结水锤现象不在腔体内部发生。

20、5、本发明的防回流装置的腔体具备一定的保温性能，使腔体内的气液两相流处于高温状态，可以模拟实际高温气液两相流入口条件。

21、6、本发明的防回流装置使得在试验过程中发生冷水倒灌时，挡板闭合，避免冷水进入蒸汽管道，在没有冷水倒灌时，挡板打开，保证试验系统的安全稳定运行。

22、7、本发明的防回流装置的挡板的开闭依靠重物重力和蒸汽压力施加的外力矩m1以及扭转弹簧的回复力矩m2之间的力学关系实现，不依靠电子设备，即使在复杂的高温气液两相流的工作环境下，结构始终保证功能稳定。

23、以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。