本發(fā)明涉及核主泵測試領域，尤其涉及一種用于分析核主泵軸系動力學特性的測試方法及裝置。

背景技術：

1、核主泵是核島一回路系統(tǒng)的核心設備，其主要功能是推動冷卻劑在反應堆冷卻劑系統(tǒng)中持續(xù)循環(huán)流動，核主泵能否安全穩(wěn)定運行將直接影響核能發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。核主泵在高溫、高壓、高輻照環(huán)境下持續(xù)長時間運行將面臨諸多挑戰(zhàn)，其中，最為復雜的是相關的異常振動問題，這將帶來設備損壞、系統(tǒng)穩(wěn)定性下降、安全風險增加等問題，盡管在核主泵異常振動的研究和治理方面取得了一定進展，但仍存在一些難以解決的問題，其中，最為關鍵的是軸系動力學問題。

2、壓水堆核電廠廣泛使用立式軸封型核主泵，其大多采用三軸承型設計方式，即電機側兩個油潤滑徑向軸承和泵側一個水潤滑徑向軸承，大量研究發(fā)現(xiàn)水導軸承對核主泵的振動特性有重要影響。但目前，針對水導軸承結構參數和流體動力學參數對主泵軸系振動量化的實驗研究是缺乏的，相關的技術方法和實驗裝置是欠缺的?，F(xiàn)有的核主泵測試裝置結構復雜，安裝和拆卸困難，不便于轉子的抽芯和維護操作，增加了設備的維護成本和時間。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種用于分析核主泵軸系動力學特性的測試方法及裝置，通過精確分析水導軸承的結構參數和流體動力學參數對主泵軸系振動的影響，為核主泵的設計優(yōu)化、故障診斷和安全運行提供科學依據，從而解決現(xiàn)有技術中存在的實驗手段不足、裝置復雜、數據采集與分析能力有限以及優(yōu)化設計缺乏依據等技術問題。

2、本發(fā)明提供了一種用于分析核主泵軸系動力學特性的測試裝置，采用立式結構，各部件按照垂直方向依次裝配，包括：

3、電機通過支撐部件固定在最上端；電機的輸出軸朝下，與聯(lián)軸器直接連接；

4、所述聯(lián)軸器下端與轉軸連接，軸承座固定在筒體內壁上，水導軸承安裝在軸承座內，與轉軸形成間隙配合；

5、葉輪安裝在轉軸的最下端，位于筒體內；

6、振動傳感器采集筒體振動；電渦流位移傳感器采集水導軸承處的軸位移；壓力傳感器采集水導軸承處的壓力脈動；溫度傳感器采集測量水導軸承處的流體溫度。

7、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述軸承座固定在筒體內壁上，水導軸承的軸套安裝在軸承座內，軸套與轉軸形成間隙配合；轉軸在軸套內旋轉。

8、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述支撐部件包含電機支架，實驗部件支架，輔助支架，

9、所述電機支架，上端與電機的下端連接，下端與試驗部件支架連接；

10、實驗部件支架，與筒體上端連接；

11、輔助支架，上部與電機的側面連接，底部固定于底面，形成對于電機的支撐。

12、本發(fā)明提供了一種用于分析核主泵軸系動力學特性的測試方法，包括以下步驟：

13、步驟1：安裝測試裝置，設置實驗參數并進行初始運行；

14、步驟2：利用傳感器單元實施采集振動加速度、位移、流體壓力及溫度數據；

15、步驟3：對采集到的多種參數進行處理，提取關鍵特征參數；

16、所述處理的方法包括：利用信號處理技術對采集到的高頻振動加速度和位移信號做帶通濾波，采用雙向iir濾波器架構實現(xiàn)零相位延遲濾波；

17、對位移和加速度信號采用自適應變分模態(tài)分解；

18、檢測相位耦合峰，進行高階譜分析識別非線性耦合頻率，精準定位軸承流體渦動頻率；

19、采用數據融合算法，對多個位移傳感器信號進行多傳感器數據融合的位移量動態(tài)跟蹤，構建三維動態(tài)軸心軌跡，并計算法向偏移指數量化轉子運動狀態(tài)；

20、采集壓力傳感器的壓力數據，實時生成整個區(qū)域的高精度壓力分布云圖；

21、步驟4：構建結構動力學模塊及流體動力學模塊，對流固耦合邊界進行處理，通過參數化分析與敏感性量化，建立參數與振動指標的定量關系模型；通過對比數值模擬結果與實驗測量的振動數據，驗證定量關系模型的準確性，進而形成用于核主泵軸系振動預測與優(yōu)化的完整動力學模型；

22、步驟5：利用所述動力學模型優(yōu)化參數。

23、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述步驟2中，利用傳感器單元實施采集轉子不同軸段的振動加速度、各截面軸承轉子兩側位移數據；電機外殼和筒體外殼的振動加速度數據；水導軸承的流體壓力和溫度數據；系統(tǒng)管路的流量、壓力、溫度參數。

24、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述步驟4中，構建結構動力學模塊具體包括：

25、1.1梁單元模型離散：將軸系沿軸線方向離散為多段梁單元，每個單元包含節(jié)點質量、轉動慣量參數，通過節(jié)點自由度描述軸系振動形態(tài)；

26、1.2陀螺效應引入：針對高速旋轉軸系，在動力學方程中添加與轉速相關的陀螺力矩項，量化旋轉角速度對軸系橫向振動的耦合影響；

27、1.3剪切變形修正：采用考慮剪切變形的梁理論，修正傳統(tǒng)歐拉梁模型，忽略剪切剛度的局限性；

28、1.4軸承支撐建模：將軸承簡化為具有交叉耦合特性的彈性支撐，通過試驗或軸承動力學參數獲取剛度矩陣中的交叉項，表征軸承油膜力的各向異性；

29、所述構建流體動力學模塊具體包括：

30、2.1雷諾方程求解框架：基于潤滑理論建立油膜壓力控制方程，針對核主泵高轉速工況，引入湍流修正因子，適配高雷諾數下的流動狀態(tài)；

31、2.2有限體積法離散：將軸承間隙流場劃分為網格單元，對每個控制體積應用質量守恒與動量守恒定律，采用逐行掃描法或多重網格法迭代求解壓力場，通過壓力-速度耦合算法確保收斂穩(wěn)定性；

32、2.3邊界條件設置：軸頸表面設為旋轉壁面邊界，軸承座設為固定壁面，油膜進出口采用壓力邊界或流量連續(xù)條件，考慮離心力對油膜厚度分布的影響。

33、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述流固耦合邊界處理具體包括：

34、3.1耦合界面定義：以軸頸表面為流固耦合界面，流體動力學模塊計算油膜壓力分布并轉換為作用于軸頸的分布力，結構動力學模塊求解軸頸位移后反饋至流體動力學模塊更新油膜厚度；

35、3.2迭代求解流程：結構動力學模塊初始化軸頸位置，流體動力學模塊計算初始油膜力；結構動力學模塊根據油膜力求解軸頸振動位移；流體動力學模塊基于新位移更新油膜間隙，重新計算油膜力；重復上述步驟直至位移與力的迭代殘差小于設定閾值。

36、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述參數化分析與敏感性量化，建立這些參數與振動指標的定量關系模型具體包括：

37、4.1關鍵變量篩選；

38、4.2參數空間設計：采用正交試驗設計或拉丁超立方抽樣方法，在參數可行域內生成多組樣本點，構建包含各參數組合的輸入矩陣，覆蓋單因素與多因素耦合場景；

39、4.3全局敏感性分析：對每組參數樣本進行流固耦合數值模擬，獲取響應數據，計算各參數的一階sobol指數和總階指數，排序篩選貢獻度超過15％的參數；

40、4.4建立所述參數與振動指標的定量關系模型。

41、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述步驟3中，所述對位移和加速度信號采用自適應變分模態(tài)分解具體包括：首先通過功率譜密度的顯著峰數量初步估計模態(tài)數k，將信號分解為多個本征模態(tài)函數；然后基于各本征模態(tài)函數的峭度與信息熵聯(lián)合判據，自動分離特征成分，所述特征成分包括軸承流體噪聲、轉子不平衡、不對中及結構共振。

42、在本發(fā)明一具體實施方式中，所述采集壓力傳感器的壓力數據，實時生成整個區(qū)域的高精度壓力分布云圖具體包括：

43、采集離散點位實時壓力數據并預處理，預處理的方式為剔除異常值或者補全缺失值；

44、基于數據空間相關性，運用克里金插值算法估計區(qū)域內任意位置壓力值；

45、將區(qū)域劃分為細密網格，以色彩梯度映射壓力值生成動態(tài)云圖，通過滑動窗口納入最新數據實現(xiàn)實時更新。

46、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的用于分析核主泵軸系動力學特性的測試方法及裝置，具有如下有益效果：

47、(1)基于動力學相似理論通過縮比準則控制轉子軸系分段尺寸和質量，保持原型與本實驗裝置的動力學特性等效性，實現(xiàn)實驗結果可直接指導核主泵故障診斷閾值設定。裝置采用模塊化可調結構，抽芯轉子+間隙調節(jié)，實現(xiàn)參數快速更換與在線調整，解決傳統(tǒng)實驗裝置拆卸繁瑣、工況單一問題。

48、(2)采用自適應變分模態(tài)分解與峭度-熵判據自適應分離故障特征，結合高階譜分析精準定位非線性耦合頻率。通過雙向iir零相位濾波、卡爾曼數據融合及克里金動態(tài)云圖，實現(xiàn)軸心軌跡與壓力梯度的實時高分辨率重構?；谕勇菪拚牧簡卧Ｐ团c湍流適配的雷諾方程求解，通過強耦合迭代提升振動響應預測精度。采用流體-振動耦合解耦分析方法，通過嵌入式傳感器+計算模型，量化核主泵軸系水膜剛度/阻尼對振動的貢獻率。采用響應面-高斯過程回歸聯(lián)合建模，揭示間隙、粘度、壓力的非線性耦合效應，精度較傳統(tǒng)回歸模型大幅度提升。

49、(3)通過精確測量和分析水導軸承的結構參數及流體動力學參數對軸系振動的影響，能夠有效降低核主泵的異常振動，提高設備運行的穩(wěn)定性和安全性。

50、(4)為核主泵的設計優(yōu)化和故障診斷提供了技術支持，有助于延長設備使用壽命，降低維護成本。

51、(5)填補了水導軸承結構參數和流體動力學參數對主泵軸系振動量化研究的空白，為相關領域的研究提供了新的實驗方法和裝置。

52、(6)解決了核主泵在高溫、高壓、高輻照環(huán)境下運行時面臨的振動問題，降低了因振動引發(fā)的安全風險，保障核能發(fā)電系統(tǒng)的安全運行。