AP1000核主泵水潤(rùn)滑軸承性能仿真

趙志明，袁小陽(yáng)

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安　710021；2.西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安　710049)

?

AP1000核主泵水潤(rùn)滑軸承性能仿真

趙志明1，袁小陽(yáng)2

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021；2.西安交通大學(xué) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710049)

摘要：水潤(rùn)滑軸承技術(shù)是制約我國(guó)核電設(shè)備發(fā)展的核心技術(shù)，開展AP1000水潤(rùn)滑軸承性能仿真、獲得軸承設(shè)計(jì)技術(shù)具有理論和工程價(jià)值.給出了水潤(rùn)滑軸承性能分析模型，對(duì)導(dǎo)軸承的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真及分析，獲得了不同工況下的軸承靜特性和動(dòng)特性變化規(guī)律.結(jié)果顯示：承載瓦最大水膜壓力為0.45 Mpa；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)水膜厚度增加11微米，判斷出導(dǎo)軸承在600 rpm已基本形成水膜，工作轉(zhuǎn)速下已處于全膜潤(rùn)滑狀態(tài)；軸承動(dòng)特性系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速的變化敏感程度低于載荷的變化.本文工作可為水潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)提供理論支持.

關(guān)鍵詞：核主泵；水潤(rùn)滑徑向滑動(dòng)軸承；靜特性； 動(dòng)特性系數(shù)

0引言

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，平衡與定位是兩個(gè)基本功能需求，前者屬于功能實(shí)現(xiàn)，后者屬于功能保障，而實(shí)現(xiàn)功能保障的關(guān)鍵零部件為軸承[1].用于轉(zhuǎn)子定位作用最多的是液體動(dòng)壓軸承，包括滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承.油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承在近幾十年取得了很多的研究成果，包括潤(rùn)滑理論、潤(rùn)滑材料、性能計(jì)算方法以及模擬試驗(yàn)和全尺寸試驗(yàn)等[2-10].油潤(rùn)滑軸承已廣泛用于大型發(fā)電機(jī)組，如汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)等.針對(duì)高速、高效等需求所出現(xiàn)的軸承瓦溫超標(biāo)和軸系振動(dòng)超標(biāo)等問題，大軸承的理論和試驗(yàn)研究也不斷取得新進(jìn)展.近年來(lái)，核電發(fā)電機(jī)組的廣泛推廣，并且正向著高參數(shù)發(fā)展，機(jī)組支承也廣泛采用滑動(dòng)軸承，例如三代核主泵之前，均采用油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承.這些研究成果對(duì)發(fā)展滑動(dòng)軸承具有重要的理論價(jià)值.

油潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在特殊的場(chǎng)合油潤(rùn)滑確極易造成污染，甚至不滿足機(jī)組運(yùn)行條件.如引進(jìn)的AP1000核主泵中的軸承均采用水潤(rùn)滑；船用艉軸支撐軸承也通常采用水潤(rùn)滑；水輪發(fā)電機(jī)組中也常用到水潤(rùn)滑軸承.水潤(rùn)滑軸承的理論和試驗(yàn)研究近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展[11-16].水潤(rùn)滑軸承由于其潤(rùn)滑介質(zhì)與傳統(tǒng)油潤(rùn)滑有較大的區(qū)別，軸承設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮多種因素.因此，水軸承的研究具有重要的價(jià)值.

AP1000主泵屬于三代核主泵.主泵中的支承部件采用水潤(rùn)滑軸承，是核主泵中最關(guān)鍵的部件之一.由于其是核主泵技術(shù)引進(jìn)中隱患最多的部件，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注.尤其是對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，目前AP1000引進(jìn)技術(shù)中只有軸承技術(shù)尚未實(shí)現(xiàn)消化-再創(chuàng)新，其完全依賴引進(jìn)，極大限制了我國(guó)核電事業(yè)的發(fā)展.針對(duì)該問題，科技部曾于2009年對(duì)核主泵關(guān)鍵制造技術(shù)立項(xiàng)(973項(xiàng)目)，于2014年立項(xiàng)973項(xiàng)目，滾動(dòng)支持該內(nèi)容的進(jìn)一步研究.核主泵水潤(rùn)滑軸承在復(fù)雜的工況下工作有諸多疑難問題：水膜薄、承載力低、在重載下難以形成完全水膜、軸承潤(rùn)滑材料的選擇等.因此進(jìn)行軸承性能分析，獲取設(shè)計(jì)技術(shù)是進(jìn)行核主泵水潤(rùn)滑軸承研究的重要組成部分.

1核主泵及其導(dǎo)軸承基本結(jié)構(gòu)

1.1核主泵基本結(jié)構(gòu)

核主泵又稱蔽電機(jī)主泵，即反應(yīng)堆主冷卻劑循環(huán)泵.它的軸系是典型的立式軸系，相對(duì)較為常見的臥式軸系具有更多的新特征.例如目前常見的二代半核主泵-安德列斯核主泵(圖1(a)所示)和三代AP1000核主泵(圖2(b)所示)，它們的支承部件均包含推力軸承和徑向軸承(又稱導(dǎo)軸承)，區(qū)別在于前者采用油潤(rùn)滑，后者采用水潤(rùn)滑.

(a)Andritz主泵軸系　　　　(b)AP1000主泵軸系圖1　常見核主泵軸系

AP1000核主泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示.可以看出支承軸系的軸承包括水潤(rùn)滑徑向軸承和水潤(rùn)滑推力軸承，其中前者為可傾瓦軸承，后者為雙向推力軸承.

圖2　AP1000核主泵軸系簡(jiǎn)圖

1.2導(dǎo)軸承基本結(jié)構(gòu)

AP1000核主泵軸系的水潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承又稱導(dǎo)軸承，是典型的可傾瓦軸承，其簡(jiǎn)圖如圖3所示.可傾瓦軸承由于其天然穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于大型機(jī)組中，目前主要用于臥式軸系中.而AP1000導(dǎo)軸承是用于支撐立式轉(zhuǎn)子，具有特殊性.

根據(jù)AP1000對(duì)導(dǎo)軸承的要求，設(shè)計(jì)了幾種材料的導(dǎo)軸承進(jìn)行半尺寸軸承試驗(yàn).本文給出了一種試驗(yàn)用軸承樣品如圖4所示，是一種五瓦可傾瓦軸承.

圖3　導(dǎo)軸承簡(jiǎn)圖

圖4　軸承樣品

2基本方程

在計(jì)算水潤(rùn)滑推力軸承時(shí)，針對(duì)水潤(rùn)滑這一特性還考慮以下幾點(diǎn)：(a)水介質(zhì)粘度極低，需重點(diǎn)考察推力軸承承載能力及水膜形成情況；(b)水潤(rùn)滑推力軸承瓦面材料的影響，石墨與巴氏合金的不同性質(zhì)需做定性考慮；(c)理論分析與試驗(yàn)工作的銜接，即理論計(jì)算盡量貼近實(shí)際試驗(yàn)工況.

2.1廣義雷諾方程

對(duì)于可壓縮流體潤(rùn)滑, 穩(wěn)態(tài)載荷下液膜軸承中流動(dòng)時(shí)滿足如下的Reynolds方程[17]:

(1)

U1、V1、W1-徑向滑動(dòng)軸承軸瓦切向、徑向和軸向各方向速度分量；U2、V2、W2-徑向滑動(dòng)軸承軸頸切向、徑向和軸向各方向速度分量；p-流體潤(rùn)滑狀態(tài)下油膜壓力；U-軸頸表面切向速度；h-流體潤(rùn)滑油膜厚度；μ-潤(rùn)滑介質(zhì)動(dòng)力粘度.Kx、Kz分別為紊流潤(rùn)滑系數(shù)，可采用常用的紊流模型可分為Ng-Pan、Const、Hirs、青木弘等四種紊流模型.

2.2能量方程

假設(shè)潤(rùn)滑介質(zhì)不可壓縮，且不考慮熱輻射的影響，工況為定常(?/?t=0)時(shí)，潤(rùn)滑油膜能量方程的無(wú)量綱形[18]為：

(2)

式(2)中：Pe—潤(rùn)滑油流動(dòng)帶走的熱量與由于傳導(dǎo)而散出的熱量之間的關(guān)系.

當(dāng)Pe?1，傳導(dǎo)項(xiàng)可以忽略，得到：

2.3溫粘方程

徑向滑動(dòng)軸承中潤(rùn)滑介質(zhì)的粘度值受溫度的影響較大，其隨著溫度的升高而迅速下降.采用的溫粘方程[19]為：

μ/μ0=αeβ(T-T0)

(3)

式(3)中：μ-溫度為T時(shí)潤(rùn)滑介質(zhì)粘度；μ0-溫度為T0時(shí)潤(rùn)滑介質(zhì)粘度；α、β-溫粘系數(shù)，通過試驗(yàn)確定的常數(shù)；T-軸承實(shí)際溫度；T0-參考溫度.

導(dǎo)軸承在計(jì)算時(shí)，假定軸承的潤(rùn)滑液為不可壓縮牛頓流體，且軸承與軸瓦無(wú)變形.采用有限差分法對(duì)雷諾方程進(jìn)行離散，邊界條件為Reynolds邊界條件.

3結(jié)果與分析

3.1軸承參數(shù)

性能仿真主要針對(duì)課題組已建立的核主泵水潤(rùn)滑軸承試驗(yàn)臺(tái)中的水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承.該導(dǎo)軸承在運(yùn)行過程中起到了徑向定位的功能，因此有必要對(duì)其性能進(jìn)行詳細(xì)分析.表1～4分別給出了水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的幾何參數(shù)、物性參數(shù)、潤(rùn)滑液物性參數(shù)及軸承運(yùn)行參數(shù).它們是進(jìn)行導(dǎo)軸承性能仿真時(shí)的輸入?yún)?shù).

表1　水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的幾何參數(shù)

表2　水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的物性參數(shù)

表3　水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承潤(rùn)滑液的物性參數(shù)

表4　水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承的運(yùn)行參數(shù)

3.2定載荷定轉(zhuǎn)速下軸承靜特性

在載荷4kN，轉(zhuǎn)速為1 500r·min-1時(shí)，仿真獲得了導(dǎo)軸承的水膜壓力分布規(guī)律和瓦塊溫度分布規(guī)律.圖5給出了承載瓦水膜壓力分布規(guī)律，可以看出由于所研究的瓦塊為主承載瓦，最高水膜壓力為0.45Mpa，出現(xiàn)在支點(diǎn)下游、周向32 °附近瓦塊軸向中分面的兩側(cè)，瓦塊最高壓力與比壓的比值為3.75.圖6給出了承載瓦的溫度分布規(guī)律，從圖上可以看出瓦塊溫度比較均勻.

圖5　水膜壓力分布

圖6　瓦塊溫度分布

3.3定載荷下軸承靜特性隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

給出了載荷4kN時(shí)軸承關(guān)鍵靜特性隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如表5所示.從表5可以看出軸承潤(rùn)滑液流量、功耗及摩擦力均隨轉(zhuǎn)速變化呈增大趨勢(shì)，工作轉(zhuǎn)速(1 500r·min-1)下的流量為23.49L·min-1，功耗為0.166kW，摩擦力為13.23N.當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00r·min-1上升至1 800r·min-1時(shí)水膜厚度從12.36 μm變化到23.85 μm，增加了約11 μm，可見在600r·min-1已基本形成水膜.由此可見，核主泵水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承在工作轉(zhuǎn)速下已處于全膜潤(rùn)滑狀態(tài).

表5　載荷4 kN轉(zhuǎn)速變化下的靜特性數(shù)據(jù)

3.4工作轉(zhuǎn)速下軸承靜特性隨載荷變化規(guī)律

仿真分析了工作轉(zhuǎn)速1 500r·min-1下軸承的靜特性隨載荷變化的趨勢(shì)，如表6所示.結(jié)果顯示，流量隨載荷變化較小，功耗增加1倍，摩擦力也有所增大.水膜厚度隨載荷變化呈減小趨勢(shì)，當(dāng)載荷增至10kN時(shí)，水膜厚度僅12.63 μm.

表6　轉(zhuǎn)速1 500 rpm時(shí)載荷變化下的靜特性數(shù)據(jù)

同時(shí)，給出了軸承承載力和最小膜厚隨偏心率變化的規(guī)律，如圖7所示.結(jié)果顯示，隨著偏心率增大，最小膜厚呈線性減小，同時(shí)承載力增大，且偏心率越大承載力增長(zhǎng)速度越快.

圖7　偏心率和承載力關(guān)系

3.5定載荷下軸承動(dòng)特性隨轉(zhuǎn)速、載荷變化規(guī)律

除了靜特性外，還給出了定載荷下的軸承剛度阻尼系數(shù)隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律，如圖8所示；對(duì)工作轉(zhuǎn)速下剛度阻尼隨不同載荷變化規(guī)律也進(jìn)行了仿真,如圖9所示.結(jié)果顯示，軸承剛度隨轉(zhuǎn)速升高緩慢降低，而隨載荷升高迅速增大；軸承阻尼隨轉(zhuǎn)速升高而趨于平緩，隨載荷增大而迅速增大.可見，軸承動(dòng)特性系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速的變化敏感程度低于載荷的變化.因此，針對(duì)核主泵這種大載荷、變載荷工況下的轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)，需對(duì)軸承的動(dòng)特性設(shè)計(jì)格外關(guān)注.

(a)剛度系統(tǒng)

(b)阻尼系統(tǒng)圖8　定載荷情況軸承剛度阻尼隨轉(zhuǎn)速變化曲線

(a)剛度系統(tǒng)

(b)阻尼系統(tǒng)圖9　定轉(zhuǎn)速時(shí)軸承剛度阻尼隨載荷變化曲線

4結(jié)論

(1)針對(duì)AP1000核主泵軸系特征，分析了相應(yīng)的導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，給出了此種結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑導(dǎo)軸承性能分析的基本方程，并確定了軸承參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，為性能仿真提供了輸入?yún)?shù).

(2)對(duì)導(dǎo)軸承的靜態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)的仿真及分析.獲得了定載荷定轉(zhuǎn)速下軸承靜特性、定載荷下軸承靜特性隨轉(zhuǎn)速變化規(guī)律以及工作轉(zhuǎn)速下軸承靜特性隨載荷變化規(guī)律.結(jié)果顯示：承載瓦最大水膜壓力為0.45MPa；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高時(shí)水膜厚度增加11 μm，判斷出導(dǎo)軸承在600rpm已基本形成水膜.工作轉(zhuǎn)速下已處于全膜潤(rùn)滑狀態(tài).

(3)對(duì)導(dǎo)軸承的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳細(xì)的仿真及分析.獲得了定載荷下軸承動(dòng)特性隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，同時(shí)獲得了動(dòng)特性系數(shù)隨載荷的變化規(guī)律.結(jié)果顯示；軸承動(dòng)特性系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速的變化敏感程度低于載荷的變化.

參考文獻(xiàn)

[1] 趙志明.轉(zhuǎn)子平衡與定位的機(jī)理及應(yīng)用研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2012．

[2] 袁小陽(yáng)，朱均.滑動(dòng)軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)Hopf分岔分析計(jì)算方法[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),1999,14(2):55-59，108-109.

[3] 張國(guó)淵，陳大治，袁小陽(yáng),等.軋機(jī)油膜軸承設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(S1):24-26，33.

[4] 王熙哲,袁小陽(yáng),朱均,等.動(dòng)靜壓可傾瓦徑向滑動(dòng)軸承系統(tǒng)阻尼測(cè)試及分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),1996,15(5):67-70.

[5] 袁小陽(yáng),王宏賓,高禺,等.流體動(dòng)壓滑動(dòng)軸承油膜剛度阻尼系數(shù)的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1992:28(5):83-87.

[6]JDKnight,LEBarrett.Analysisoftiltingpadjournalbearingwithheattransfereffects[J].ASMEJ.Tribol.,1988,110(1):128-133.

[7]CMEttles.Theanalysisofpivotedpadjournalbearingassembliesconsideringthemxielasticdeformationandheattransfereffects[J].STLETrib.Trans.,1992,35(1):156-162.

[8]DWParkins,DHomer.Tiltingpadjournalbearingsmeasuredandpredictedstiffnesscoefficients[J].STLETrib.Trans.,1993,36(3):359-366.

[9] 楊沛然，CMRodkiewicz.對(duì)稱可傾瓦推力軸承的熱彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑[J].潤(rùn)滑與密封,1994(2):18-27.

[10]JKim,APalazzolo,RGadangi.DynamiccharacteristicsofTEHDtiltpadjournalbearingsimulationincludingmultiplemodepadflexibilitymodel[J].ASMEJ.Vibr.Acoust,1995,117(1):123-135.

[11]A.deKraker,R.A.J.vanOstayen,D.J.Rixen.Calculationofstribeckcurvesfor(water)lubricatedjournalbearings[J].TribologyInternational,2007,40(3):459-469.

[12] 張國(guó)淵,袁小陽(yáng).水潤(rùn)滑動(dòng)靜壓軸承三維壓力及溫度場(chǎng)分布理論研究[J].潤(rùn)滑與密封,2006(8):4-7.

[13] 朱漢華,劉焰明,劉正林,等.船舶尾軸承變形對(duì)其承載能力影響的理論及試驗(yàn)研究[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(6):12-14.

[14] 耿厚才,饒柱石,崔升.船舶軸系油膜計(jì)算與軸承反力分析[J].船舶力學(xué),2004,8(5):120-124.

[15] 朱漢華,劉正林,嚴(yán)新平,等.艦船尾軸承變形對(duì)其阻尼特性的影響研究[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(3):1-3.

[16] 賈小俊,范世東.考慮軸頸傾斜的徑向滑動(dòng)軸承動(dòng)態(tài)特性研究[J].船海工程,2008,37(5):54-57.

[17] 王曉寧．流固熱耦合水潤(rùn)滑可傾瓦軸承性能研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2009．

[18] 鄭昂．基于公理設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)化研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2010．

[19] 朱均．流體動(dòng)壓潤(rùn)滑(二上)滑動(dòng)軸承的性能計(jì)算和分析[J].潤(rùn)滑與密封，1982(3)：46-56．

【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

Characteristicssimulationofwater-lubricatedjournalbearingsinAP1000nuclearmainpump

ZHAOZhi-ming1,YUANXiao-yang2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 2.KeyLaboratoryofEducationMinistryforModernDesignandRotor-BearingSystem,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China)

Abstract:Among the AP1000 technology introduced,water-lubricated bearing technology is the core technology that restricts the further development of nuclear power equipment in China.Therefore,it is of theoretical and engineering value to performance simulation of the water-lubricated bearing of the AP1000 core pump and to obtain the bearing design technology.Considering the AP1000 nuclear main pump shaft characteristics,the corresponding water-lubricated journal bearing structure and the basic equation were given.Static and dynamiccharacteristics of water-lubricated bearing were simulated and analysis.The static and dynamicperformances were achieved.The results shown that the maximum water film pressure was 0.45 Mpa,the thickness of the water film increases by 11 microns when the rotating speed increasing,the water film had been formed in the 600 rpm,and the bearings had been in full film lubrication state with working speed.Bearing dynamic coefficients of speed were sensitive to the change of the speed changing than to the load changing.The work of this paper can provide theoretical support for the design of water-lubricated radial journal bearing.

Key words:nuclear main pump; water-lubricated journal bearings; static characteristics; dynamic characteristics coefficients

*收稿日期:2016-03-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305246); 陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1107); 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ13-07)

作者簡(jiǎn)介:趙志明 (1981-)，男，山東威海人，講師,博士，研究方向：運(yùn)動(dòng)控制、旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)力學(xué)和故障診斷

文章編號(hào)：1000-5811(2016)04-0150-06

中圖分類號(hào)：TH117.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A