釷基核能系統(tǒng)熔鹽泵液下軸承偏心率對(duì)支撐特性的研究分析

馬柏青 包春輝 林良程 樊輝青 張 宏 曹 云 操松林

1（蘭州蘭泵有限公司 蘭州 730300）

2（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

3（甘肅省超高溫熔鹽泵閥工程研究中心 蘭州 730300）

4（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 合肥 230031）

近年來，第四代釷基熔鹽堆快速發(fā)展［1］。它以高溫熔鹽作為反應(yīng)堆冷卻劑，是一種更安全、更可持續(xù)的儲(chǔ)能方式。其中，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）“釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)（Thorium Molten Salt Reactor Nuclear Energy System，TMSR）”［2］研發(fā)的2 MWt液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，其主泵軸系采用懸臂式結(jié)構(gòu)。隨著釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)堆向研究堆、示范堆以及商用堆的發(fā)展，高溫熔鹽泵的設(shè)計(jì)參數(shù)將逐步增大，軸系逐漸由懸臂式結(jié)構(gòu)演變?yōu)橐合螺S承支撐的細(xì)長(zhǎng)柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)［3］。高溫熔鹽泵是釷基核能系統(tǒng)的心臟設(shè)備［4］，要求運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)。高溫鹽潤(rùn)滑液下軸承作為關(guān)鍵部件，其支撐特性與轉(zhuǎn)子軸系支撐結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用對(duì)熔鹽泵的安全運(yùn)行和使用壽命具有決定性影響［5］。

由于采用高溫熔鹽作為潤(rùn)滑介質(zhì)，熔鹽泵液下軸承有別于常規(guī)滑動(dòng)軸承，其潤(rùn)滑狀態(tài)的影響因素較多［6］，與傳統(tǒng)滑動(dòng)軸承的支撐特性差別較大［7］，掌握其支撐特性成為攻克高溫熔鹽泵的關(guān)鍵技術(shù)難題。液下軸承的支撐特性主要有：液下軸承支撐剛度和阻尼，由液下軸承的間隙、偏心率、長(zhǎng)徑比、液下軸承結(jié)構(gòu)、材料、熔鹽物性、運(yùn)行工況等因素決定［8］。液下軸承的支撐特性與軸系設(shè)計(jì)密切相關(guān)［9］，尤其是不同轉(zhuǎn)速、不同載荷條件下，液下軸承的偏心率對(duì)熔鹽泵軸系運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的影響。

本文基于高溫熔鹽長(zhǎng)軸泵用液下軸承為例，采用720℃氯鹽為潤(rùn)滑介質(zhì)，從設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)方面論述高溫熔鹽液下軸承的動(dòng)特性影響因素。盡管氯鹽和氟化物的組成差異很大，但其密度、黏度等參數(shù)值在高溫下接近，所以兩者對(duì)軸承的潤(rùn)滑性能有類似的作用。因此，本文的研究成果也可為氟化物潤(rùn)滑熔鹽液下軸承的設(shè)計(jì)提供借鑒，并為釷基熔鹽堆用高溫熔鹽泵液下軸承的設(shè)計(jì)分析提供重要的技術(shù)儲(chǔ)備。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 控制方程

流體動(dòng)壓軸承壓力分布的控制方程為雷諾方程。作用在軸頸上的非線性流體液膜力是由壓力分布積分和邊界條件確定。不可壓縮湍流徑向軸承的雷諾方程如式（1）所示［10］。

1.2 動(dòng)靜特性

在迭代過程中，通過求解穩(wěn)態(tài)雷諾方程建立軸承動(dòng)態(tài)平衡位置，即可從已知靜態(tài)確定其動(dòng)態(tài)性能（如最小膜厚度、最大膜壓力、流速和功率損耗、壓力分布等）。在動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，軸承力等于反方向的外部載荷。

式中：Fxˉ0、Fyˉ0分別表示軸承力在x、y方向的分量；Wxˉ、Wyˉ分別表示外部載荷在xˉ、yˉ方向的分量；P0是靜態(tài)平衡條件下的壓力；N表示油槽數(shù)量；L表示軸承寬度；θ1和θ2分別表示各個(gè)軸承瓦塊積分區(qū)域起始和終止角度（圖1）。在下文模擬計(jì)算描述中，定義兩個(gè)參數(shù)：預(yù)載荷預(yù)設(shè)初始位置tilt=

Fig.1 液下軸承角度示意圖Fig.1 Diagram of bearing angle under liquid

2 高溫液下軸承的基本設(shè)計(jì)參數(shù)

本文以高溫熔鹽泵液下軸承設(shè)計(jì)為例，開展軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的高溫液下軸承選用3油槽圓柱軸承（圖2）。其結(jié)構(gòu)及參數(shù)為：設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n=1 000 r·min?1，軸承內(nèi)徑D=155 mm，軸承寬度L=160 mm，軸承間隙Cb=0.15 mm，介質(zhì)熔鹽的動(dòng)力黏度μ=0.022 76 exp（3 730.007/T）。

3 不同偏心率對(duì)軸承支撐特性的影響

為了研究偏心率對(duì)軸承支撐特性的影響，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，運(yùn)用DyRoBeS軟件中Beperf單元，設(shè)置0.1、0.2、0.3、0.4、0.5和0.6偏心率，對(duì)這6種偏心率工況下的軸承支撐特性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如下。

3.1 不同偏心率下液下軸承的壓力分布

軸頸和軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及熔鹽介質(zhì)的黏性效應(yīng)相結(jié)合產(chǎn)生了流體動(dòng)壓，從而使軸承獲得承載能力。為了保證液下軸承間隙內(nèi)液膜的連續(xù)性，必須使間隙內(nèi)的液膜產(chǎn)生壓力和壓力梯度，以建立流動(dòng)基礎(chǔ)。由圖3可以看出，隨著軸承偏心率增大，軸承與軸頸局部間隙減小，最小液膜厚度減薄，液膜的壓力和壓力梯度不斷增加。當(dāng)液下軸承偏心率大于0.6時(shí)，液下軸承的壓力以零壓力和零梯度結(jié)束，液膜破裂，從而導(dǎo)致液膜壓力無限發(fā)散。

Fig.2 軸承結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖(a)軸承建模輸入界面，(b)軸承結(jié)構(gòu)Fig.2 Diagram of bearing structureand itsparameters(a)Input interfaceof setting up themold of thebearings,(b)Bearing structure

Fig.3 軸承壓力分布示意圖 (a)偏心率0.1，(b)偏心率0.2，(c)偏心率0.3，(d)偏心率0.4，(e)偏心率0.5，(f)偏心率0.6Fig.3 Diagram of bearing pressuredistribution (a)E/C b=0.1,(b)E/C b=0.2,(c)E/C b=0.3,(d)E/C b=0.4,(e)E/C b=0.5,(f)E/C b=0.6

3.2 額定轉(zhuǎn)速偏心率在不同轉(zhuǎn)速下的變化

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，通過模擬計(jì)算，得到偏心率等于0.1~0.6所對(duì)應(yīng)的在不同轉(zhuǎn)速下液下軸承偏心率的變化情況（圖4）。由圖4可見，隨著轉(zhuǎn)速增大，液下軸承的偏心率不斷減小。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，隨著偏心率增大，不同轉(zhuǎn)速下的液下軸承偏心率也不斷增大。

3.3 不同偏心率下軸承剛度和阻尼的變化

在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，偏心率E/Cb=0.1~0.6時(shí)的液下軸承剛度和阻尼變化如圖5和圖6所示。圖5、6中，Kxx和Kyy指正交剛度，Kxy和Kyx指交叉剛度。

由圖5和圖6可以看出，隨著液下軸承所受載荷增大，液下軸承偏心率不斷增大，液下軸承支撐的正交剛度和阻尼也不斷增大，而交叉剛度和阻尼的數(shù)值也不斷增大。隨著液下軸承偏心率的增加，正交與交叉剛度和阻尼的差值加大，由于受“陀螺效應(yīng)”影響，正向和反向進(jìn)動(dòng)的頻率差異增加，交叉剛度越大時(shí)由反向進(jìn)動(dòng)帶來的失穩(wěn)效應(yīng)也增大。

3.4 不同偏心率下液下軸承最小液膜厚度的變化

通過模擬計(jì)算，得到偏心率與最小液膜厚度的關(guān)系如圖7所示。由圖7，隨著液下軸承偏心率不斷增大，液下軸承的最小液膜厚度不斷減小。當(dāng)液下軸承的偏心率增大至0.7時(shí)，液膜已無法形成，液下軸承存在“干摩擦”風(fēng)險(xiǎn)。

4 不同偏心率液下軸承在高溫熔鹽中的試驗(yàn)(700℃)

為驗(yàn)證高溫熔鹽泵液下軸承受偏心率影響的模擬分析結(jié)果，運(yùn)用高溫熔鹽泵液下軸承測(cè)試裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及分析。高溫熔鹽泵液下軸承測(cè)試裝置系統(tǒng)原理如圖8所示。該裝置通過偏心輪盤調(diào)節(jié)液下軸承的偏心率，調(diào)節(jié)后通過測(cè)量軸承間隙，確定軸承的實(shí)際偏心率，并用氬氣將轉(zhuǎn)運(yùn)罐中的高溫氯鹽壓入儲(chǔ)鹽罐，將液下軸承完全浸沒，采用電機(jī)傳動(dòng)方式進(jìn)行試驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)軸承與軸套材質(zhì)均選擇316H。

根據(jù)熔鹽泵液下軸承實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)工況邊界條件設(shè)置為：軸承材料316H，運(yùn)行溫度700℃，環(huán)境溫度20℃。

Fig.4 偏心率隨轉(zhuǎn)速的變化 (a)偏心率0.1，(b)偏心率0.2，(c)偏心率0.3，(d)偏心率0.4，(e)偏心率0.5，(f)偏心率0.6Fig.4 Variation of eccentricity with rotation rate (a)E/C b=0.1,(b)E/C b=0.2,(c)E/C b=0.3,(d)E/C b=0.4,(e)E/C b=0.5,(f)E/C b=0.6

Fig.5 相同轉(zhuǎn)速不同偏心率下液下軸承剛度的變化Fig.5 Changes of bearing stiffness under fluid with eccentricity at same speed

4.1 運(yùn)轉(zhuǎn)情況

Fig.6 相同轉(zhuǎn)速不同偏心率下液下軸承阻尼的變化Fig.6 Variation of bearing damping under fluid with eccentricity at same speed

為驗(yàn)證偏心率大于0.6時(shí)液下軸承的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況，進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，分別施加不同轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量進(jìn)行對(duì)比分析。將第一次實(shí)驗(yàn)液下軸承偏心率設(shè)置為0.7，第二次實(shí)驗(yàn)液下軸承偏心率設(shè)置為0.3。兩次實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象記錄如表1所示。

表1 兩次實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況對(duì)比Table 1 Comparison of two test operation conditions

Fig.7 相同轉(zhuǎn)速不同偏心率下液下軸承最小液膜厚度的變化Fig.7 Varition of minimum liquid film thickness of bearing under fluid with eccentricity at the same speed

第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)（偏心率0.7），實(shí)驗(yàn)裝置在高轉(zhuǎn)速下振動(dòng)較大，無法長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，最終電機(jī)超電流停機(jī)。偏心率等于0.7時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置在轉(zhuǎn)速低于286 r·min?1時(shí)才可運(yùn)行；第二次實(shí)驗(yàn)時(shí)（偏心率0.3），實(shí)驗(yàn)裝置開始轉(zhuǎn)速設(shè)置為864 r·min?1，運(yùn)行76 h后再將轉(zhuǎn)速提至1 008 r·min?1，運(yùn)行期間一切正常。第一次實(shí)驗(yàn)無法持續(xù)運(yùn)行的原因主要是：第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，液下軸承在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的偏心率為0.7，此時(shí)最小液膜厚度較薄，很難形成液膜或保持液膜連續(xù)流動(dòng)，液下軸承存在干摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致軸與軸承“抱死”，電機(jī)超電流停機(jī)，運(yùn)行中止。

4.2 磨損情況

在兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別對(duì)液下軸承拆解后的磨損情況進(jìn)行采集記錄，對(duì)兩次實(shí)驗(yàn)的磨損情況記錄如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，由于轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量引起的偏心率變化對(duì)液下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)有很大影響（圖9、10）。

表2 兩次實(shí)驗(yàn)?zāi)p情況對(duì)比Table2 Comparison of wear condition between two tests

通過試驗(yàn)結(jié)果與理論模擬計(jì)算的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：熔鹽泵在高溫熔鹽介質(zhì)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)偏心率大于0.6，液下軸承液膜局部較薄，由于偏心渦動(dòng)的作用，軸承與軸之間存在干摩擦，從而導(dǎo)致軸承表面局部磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)明顯的金屬磨削堆積現(xiàn)象；而當(dāng)偏心率較小時(shí)，液下軸承的液膜厚度較為均勻，液下軸承運(yùn)行良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

Fig.8 高溫熔鹽泵液下軸承測(cè)試裝置系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of submerged bearing test device system for high temperature molten salt pump

Fig.9 第一次實(shí)驗(yàn)后軸承與軸套的磨損情況Fig.9 Wear of bearing and bushing after the first test

Fig.10 第二次實(shí)驗(yàn)后軸承與軸套的磨損情況Fig.10 Wear of bearing and bushing after the second test

因此，在高溫熔鹽泵長(zhǎng)軸系轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量引起軸承偏心率變化導(dǎo)致的液下軸承磨損嚴(yán)重甚至與軸抱死等不良情況，盡可能提高軸系不平衡等級(jí)，減小或避免軸系不平衡力及激勵(lì)對(duì)熔鹽泵軸系穩(wěn)定性的影響。

5 結(jié)語

本文運(yùn)用DyRoBeS軟件中Beperf單元就“偏心率對(duì)高溫熔鹽泵液下軸承的支撐特性影響”進(jìn)行計(jì)算分析，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的液下軸承試驗(yàn)裝置對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

1）轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量引起的偏心率對(duì)液下軸承運(yùn)轉(zhuǎn)有很大影響。

2）隨著泵轉(zhuǎn)速增大，液下軸承的偏心率不斷減小。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下，隨著偏心率增大，不同轉(zhuǎn)速下液下軸承的偏心率也不斷增大。

3）隨著液下軸承偏心率增大，正交與交叉剛度和阻尼的差值加大，受陀螺效應(yīng)的影響，正向和反向進(jìn)動(dòng)的頻率差異也增加；交叉剛度越大時(shí)由反向進(jìn)動(dòng)帶來的失穩(wěn)效應(yīng)也加大。

4）隨著液下軸承偏心率的增大，最小液膜厚度減薄，液膜的壓力和壓力梯度不斷增加。當(dāng)液下軸承的偏心率大于0.6時(shí)，液下軸承的壓力以零壓力和零梯度結(jié)束。由于偏心渦動(dòng)的作用，液下軸承的液膜局部較薄，甚至液膜破裂失效，存在干摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致軸承表面局部磨損嚴(yán)重。

作者貢獻(xiàn)聲明馬柏青：項(xiàng)目規(guī)劃及實(shí)施研究、對(duì)文章的知識(shí)性內(nèi)容進(jìn)行批判性審閱、獲取研究經(jīng)費(fèi)；包春輝：統(tǒng)計(jì)分析、起草文章；林良程：技術(shù)支持；樊輝青：技術(shù)支持；張宏：醞釀和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、解釋數(shù)據(jù)；曹云：指導(dǎo)；操松林：支持性貢獻(xiàn)。