AP1000主泵飛輪及水潤滑軸承研究

摘 要：主泵是核電廠之中具有極高應(yīng)用價值的泵，在核島系統(tǒng)之中的一回路體系之中，需要通過對冷凍劑進(jìn)行驅(qū)動，需要處理的冷卻劑主要是存在于反應(yīng)堆之中的冷卻劑，主泵主要發(fā)揮出的作用就是控制內(nèi)部的循環(huán)性流動情況。主泵的位置一般在核島系統(tǒng)的心臟部位，應(yīng)用主泵可以幫助系統(tǒng)之中的蒸發(fā)器將熱水轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，在核島的水循環(huán)系統(tǒng)之中，一般的蒸汽發(fā)生裝置位置都會安裝一個主泵。飛輪是主泵之中一個極為關(guān)鍵的盤形零件，其主要發(fā)揮的作用幾乎等同于能量存儲器，本文對其AP1000核電系統(tǒng)之中的主泵的水潤滑軸承與飛輪進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：AP1000；主泵；飛輪；水潤滑軸承；核島

AP1000是當(dāng)前經(jīng)官方認(rèn)證的極為先進(jìn)、安全的新型核電站，其建設(shè)基礎(chǔ)主要是西屋特殊的壓水反應(yīng)對技術(shù)，可以實現(xiàn)經(jīng)濟性極高的核電經(jīng)營活動，不需要對其開展過多的維護(hù)與檢測，在核電領(lǐng)域之中具有極高的應(yīng)用價值。其主泵的基本形態(tài)區(qū)別于一般的主泵，主泵系統(tǒng)之中的水潤滑軸承與飛輪裝置都比較特殊，受到AP1000設(shè)計方案的約束，這兩個部件都有相對比較特殊的設(shè)計要求，技術(shù)人員尤其需要控制好飛輪的基本直徑，盡可能地提升飛輪的原有轉(zhuǎn)動慣量，本文對這一核電系統(tǒng)之中主泵裝置的水潤滑軸承與飛輪裝置進(jìn)行分析。

1 摩擦損失情況分析

在對該核電裝置的主泵零部件設(shè)計情況進(jìn)行研究之前，首先需要相對主泵中比較特殊的浸水型重金屬材質(zhì)的飛輪造成的摩擦性損失情況進(jìn)行了解：當(dāng)固體在也液體中進(jìn)行運動的時候，固體的表面部位會與產(chǎn)生一定的摩擦，固體的表面與摩擦力保持平衡的狀態(tài)，之間產(chǎn)生的新的力學(xué)元素被稱為切向力，在單位面積之中，可以將切向力記為τ，當(dāng)液體的密度越大，切向力的數(shù)值也就越大，液體與固體之間存在的相對速度被記為W，借助下面這個公式可以將切向力計算出來，在公式之中，比例常數(shù)記為K，K的數(shù)值與固體的表面部位的粗糙程度存在關(guān)系。

△M=τ△FR=K？籽W2△FR

AP1000反應(yīng)堆之中的主泵之中一般設(shè)有兩個飛輪，這兩個飛輪的外形極為相似，表面的基本粗糙程度也相差不多，忽視下部飛輪產(chǎn)生的摩擦損耗，設(shè)定飛輪的端面之中飛輪運動狀態(tài)也相似，則可以得出以下這個公式，主要是對其相對應(yīng)的微小表面的面積△F與切向力△M之間關(guān)系進(jìn)行表示：

△M=K'？籽？棕2R■■

2 水潤滑軸承的基本設(shè)計原理分析

在對水潤滑型的推力軸承進(jìn)行研究的時候，技術(shù)人員需要對其基本設(shè)計原理有充分了解，當(dāng)主泵開始運轉(zhuǎn)的時候，需要避免推力盤產(chǎn)生過多的摩擦情況，一旦出現(xiàn)了固態(tài)摩擦的情況，尤其是出現(xiàn)直接摩擦的問題時，主泵之中的軸徑、軸承以及推力瓦等部件就會被嚴(yán)重?fù)p壞，尤其是出現(xiàn)推力瓦與推力盤摩擦問題的時候，為了避免軸承損耗嚴(yán)重的問題頻繁發(fā)生，技術(shù)人員需要確保軸承之間出現(xiàn)的摩擦是液態(tài)摩擦，降低固態(tài)能偶擦出現(xiàn)的可能性。在AP1000反應(yīng)堆之中，主系統(tǒng)存在無閥的特點，因此不能將主泵設(shè)計成防倒轉(zhuǎn)機的形態(tài)，但是可以適當(dāng)?shù)貞?yīng)用幾個中心推力式的軸承。依靠力盤的自轉(zhuǎn)活動就可以借助潤滑液形成液楔，進(jìn)一步形成壓力型液膜。

斯特爾貝克原理：以普通常用的軸頸軸承為例來分析軸承中的摩擦情況。假設(shè)軸頸與軸承是同心的，軸頸的圓周滑動速度為u，軸頸與軸承徑向間隙為h，軸承寬度為b，軸承半徑為r。摩擦力F為：

F=μ■2？仔rb

式中，μ為運動粘度。設(shè)軸承的單位承載負(fù)荷為P，則整個軸承的承載能力P=2rbp（p為軸承平均單位載荷）。摩擦系數(shù)f可由Petroff公式計算：

f=■=？仔■=2？仔2■■

式中，n為軸頸轉(zhuǎn)速。軸承承受較大載荷而轉(zhuǎn)速又低的情況下，軸頸要產(chǎn)生偏心，在軸承軸頸間產(chǎn)生楔形小間隙，發(fā)生與前述相似的壓力升高現(xiàn)象，使承載力平衡于外載荷。

3 推力軸承與上徑軸承之間存在的相互作用分析

當(dāng)按照Raimondi和Boyd方程計算時，根據(jù)以下假設(shè)來確定溫升：在冷卻劑流過軸承時，由摩擦產(chǎn)生的所有熱量使?jié)櫥瑒囟壬?，由于水的粘度較低，軸頸將潤滑液從后沿輸送到前沿的過程中，沒有潤滑液留在后沿。滿經(jīng)過工程耐久試驗后AP1000主泵的上徑向軸承沒有發(fā)生磨損，可以認(rèn)為其滿足設(shè)計要求。徑向軸承運行符合以上要求，則軸頸中心與軸承中心就有一個偏心；對于AP1000主泵如此大的軸頸，滿足全液潤滑，其偏心值為10μm以上。即：在運行過程中，由于徑向軸承液膜壓力，始終推動轉(zhuǎn)軸與軸承軸線有一個傾角β，要求推力盤形成全液摩擦所需的最低轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)不止20r/min；只要低速運行，推力瓦就會產(chǎn)生劃痕甚至磨損。

4 雙飛輪給主泵帶來的基本影響

在常溫狀態(tài)下，水的密度是空氣密度的800倍，而轉(zhuǎn)動慣量僅僅為931kg·m2的主泵，浸水重金屬雙飛輪的粘滯摩擦耗功至少是泵組功率的1/7。作為對比，轉(zhuǎn)動慣量達(dá)到3800～7600kg·m2的軸密封主泵，飛輪的耗功還不到泵組功率的3%。J.W.戴利和R.E.奈斯關(guān)于在水中自由旋轉(zhuǎn)的圓盤摩擦損失的計算公式只考慮圓盤自由在水中轉(zhuǎn)動，沒有考慮介質(zhì)在2個屏蔽套中窄間隙流動損失和下飛輪推力面的損耗。假定飛輪的外徑為900mm，可以算出飛輪在水中旋轉(zhuǎn)的粘滯阻力功耗很大：1個飛輪的損耗為585馬力（1馬力=0.735kW），2個飛輪的損耗為1170馬力?？紤]下飛輪作為軸承推力盤的損耗，總損耗大約為1100kW。初始計算飛輪的損失僅為1000kW以下，但是通過試驗得出飛輪的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過1100kW，占整個屏蔽泵中最大的損失份額，是造成屏蔽泵效率極低的最重要的因素。

結(jié)束語

通過本文對AP1000主泵系統(tǒng)的詳細(xì)分析可以獲得以下幾個結(jié)論：由于浸水型重金屬材質(zhì)的飛輪具有耗功相對比較大的特點，因此需要對其飛輪的安裝情況進(jìn)行精心設(shè)計，需要在主泵中安裝兩個飛輪，而飛輪運行需要消耗一定的功率，因此主泵系統(tǒng)的總體功率消耗量增加，屏蔽套裝置的原有直徑也被增加，該位置的功率損耗情況變得更為嚴(yán)重；如果不安裝這個金屬飛輪，需要通過改變屏蔽電機主泵的原有惰轉(zhuǎn)時間來對核電系統(tǒng)的設(shè)計要求進(jìn)行滿足，而在改造之后泵組的原有運行效率提升，泵組的自重有所增加。這種飛輪改造工作還可以將軸承帶給主泵的損傷情況減少，對主泵電機的屏蔽套進(jìn)行保護(hù)，其屏蔽電機還需要被繼續(xù)改造，一道道高效率運行的應(yīng)用要求。

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