核反应堆堆芯冷却剂流量测量用涡轮流量计的研制及应用

　　1　引言

　　常规的工业用涡轮变送器有精度高、线性范围宽等优点,但也存在着使用寿命短,小流量时信号幅度小,信噪比降低,抗干扰能力下降、测量过程中要设置信号触发阀值等缺点,测量堆芯冷却剂的流量时,安装于核反应堆堆芯内的燃料元件盒进口处的涡轮变送器的阻力特性必须与周围的元件盒的阻力特性匹配,叶轮正常转动和卡死不转时,要求阻力基本相等,所以常规的工业用涡轮流量计一般不适用于核反应堆堆芯流量测量。

　　笔者在近几年的科研中,在原有的常规涡轮流量变送器的基础上,为适应核反应堆堆芯流量测量的需要,发展了两种新型低速涡轮流量变送器,发展了新的流量信号处理方法,并成功地应用于5MW核供热堆堆芯冷却剂流量的测量。

　　2　新型低速涡轮流量变送器

　　为适应核反应堆堆芯冷却剂流量测量的需要,涡轮变送器要具备使用寿命长、阻力小、叶轮正常工作和卡死不转时的阻力特性基本一致等特殊性能,根据涡轮流量计的工作原理,涡轮流量变送器要设计成大导程叶片的叶轮,使叶轮工作在较低的频率下。为了保证叶轮在低速转动时有较大的信噪比,或采用磁感应原理检测叶轮的转速,采用强抗干扰的频谱分析方法检测叶轮转动的频率信号,或采用数字涡轮流量变送器。

　　2.1　涡轮流量计理论模型

　　根据文献[1~3]介绍,流体以一定角度冲击涡轮流量计的叶片,叶轮旋转,随着转速的增加,流体的冲击角度减小,当冲击角减小到某一值时,叶轮就以一定转速旋转,此时,作用在涡轮流量计叶轮上的驱动力矩和阻力矩相等,作用在叶轮上的力矩平衡方程式为:

　　公式(2—1)也可写成表示涡轮流量计流量系数ω/Q(次/L)的表达式:

　　公式(2—1)和(2—2)中,MD为叶片的驱动力矩,Mh、Mt、Mj、MQ和MR分别为轮壳、叶片边缘、轴承、叶轮端面和信号输出装置的阻力矩。ω为叶轮旋转角速度;Q为体积流量;为叶片平方根平均半径;A为流道截面积;N为叶片数;β为叶片螺旋角。

　　按文献[3]介绍,为了求解叶片的驱动力矩,将涡轮展开成直列叶栅,将螺旋叶片看作安装角等于半径r处的螺旋角为β的二维平板,将坐标建立在旋转叶片上来考察流体的相对运动。采用保角变换,运用儒可夫斯基升力定律,得到叶片的驱动力矩为:

　　文献[3]还给出上述阻力矩的表达式:

　　有关上述公式的详细说明请见文献[3]所述。

　　阻力矩计算公式(2—4)~(2—6)均为机械摩擦阻力矩,由表达式可以看出,其大小正比于叶轮转速ω的二次方,从中我们可以得到一个重要的启示,如果涡轮流量计的叶轮工作在较低的转速下,使得公式(2—2)中(Mh+Mt+Mj+MQ+MR)趋向于零,使代表流量系数ω/Q的线性范围变宽,流量下限下降和上限提高,使用寿命长,同时也使得流经流量计的阻力损失大大地减小,从而进一步改善了涡轮流量计的流动阻力特性。