液力耦合器用行星齒輪油泵襯套端部汽蝕分析

劉朝 劉星 王儀美 魏松林

（1.中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司 湖北武漢 430032；2.福建福清核電有限公司 福建福清350300）

某核電大修期間，對電動主給水泵液力耦合器解體檢查，發(fā)現(xiàn)耦合器內(nèi)的工作∕潤滑油泵太陽輪的上部襯套端部出現(xiàn)點坑，對缺陷襯套開展失效分析，研究點坑產(chǎn)生的機理。

1 概述

潤滑∕工作油泵泵頭剖面圖如圖1 所示，該泵由一個離心泵和一個行星齒輪泵組成。當泵運轉(zhuǎn)時，下方的離心泵為液力耦合器提供工作油，上方的齒輪泵向給水泵組的徑向軸承、推力軸承等提供潤滑油，點坑出現(xiàn)在太陽輪上部襯套的下端面上。

圖1 油泵泵頭剖面圖

圖2 為齒輪油泵太陽輪上部襯套端面圖，為便于描述，將襯套端部3個約3mm的凸起定義為“擋油板”，并將“擋油板”前方（與太陽輪旋轉(zhuǎn)方向相反）且與行星輪上部軸承油孔相通的區(qū)域定義為“前油腔”，“擋油板”后方區(qū)域為“后油腔”。潤滑油從太陽輪軸與襯套內(nèi)表面的圓周間隙中進入襯套下端面和太陽輪端面間隙，潤滑油一方面沿著圓周方向流動，另一方面在離心力的作用下向外流動進入“前油腔”中，在前油腔中，速度能轉(zhuǎn)化為壓力能，并通過油孔進入3 個行星輪的上部軸承中，為軸承提供潤滑油。潤滑油路徑見圖1 和圖2中箭頭所示。

圖2 齒輪泵襯套及行星輪軸承端面

2 失效形貌

圖3為太陽輪襯套下端面，襯套端面共出現(xiàn)了3個點坑，點坑的大小深度不一，均勻分布在端面的圓周方向上，由此可知，太陽輪齒輪運轉(zhuǎn)時，端面與襯套發(fā)生了碰磨，但碰磨程度較輕微，根據(jù)磨痕的外輪廓也可以推斷出，太陽輪軸運轉(zhuǎn)時與襯套不同軸。

圖3 襯套端部點坑分布

襯套上3 個腐蝕坑形貌特征如圖4 所示?？梢钥吹近c坑a坑面凹凸不平，整體呈密集蜂窩狀，有針孔及麻點樣孔洞；點坑b 有一規(guī)則圓深坑，周邊與點坑a 一樣，呈海綿狀形貌；點坑c尺寸比點坑b大，且呈現(xiàn)不規(guī)則的形狀。同時，可以觀察到點坑b和c蝕坑周圍有輕微氧化生銹跡象。

圖4 點坑體視形貌

3 測試分析

3.1 金相檢驗

圖5是3個點坑區(qū)域的縱向金相組織。結(jié)果顯示，襯套縱向組織不均勻，襯套厚度約為10mm，內(nèi)側(cè)3mm左右組織為“珠光體+少量磷共晶”，外側(cè)7mm 厚的組織為“鐵素體+少量珠光體”。點坑a 的坑底深度約為0.8mm，距襯套內(nèi)壁5mm；點坑b 的坑底深度約為1.2mm，距襯套內(nèi)壁3mm；點坑c的坑底深度約1.8mm，距襯套內(nèi)壁2mm。

圖5 點坑處縱向金相組織

3.2 掃描電鏡觀察

圖6 為襯套端面3 個點坑內(nèi)部的掃描電鏡照片。由圖可知，3 個點坑空內(nèi)部表面凹凸不平，呈海綿狀，在點坑內(nèi)部均觀察到裂紋和破裂的石墨片層。點坑a底部未見腐蝕產(chǎn)物堆積，點坑b和c局部有針眼狀腐蝕微坑，點坑c處腐蝕程度最嚴重。采用EDS能譜儀，對腐蝕坑表面產(chǎn)物進行能譜分析，腐蝕坑洞表面主要成分為鐵的氧化物，未見硫、氯等有害離子。

圖6 點坑微觀特征形貌

點坑及坑底的形貌具有明顯的汽蝕特征，這是由于間隙內(nèi)的汽泡流動到高壓區(qū)域后，汽泡潰滅而對金屬反復基體沖擊，金屬不斷從基體上脫落形成的，并在金屬表面形成蜂窩狀的麻點坑群［1-2］。有研究［3-4］針對金屬材料開展汽蝕試驗，研究了汽蝕產(chǎn)生的規(guī)律，其中，均使用掃描電鏡拍攝到不同材料不同階段的汽蝕形貌照片，與襯套表面的汽蝕形貌較為一致。

4 數(shù)值模擬

汽蝕是由于壓力的變化而導致的流體內(nèi)部空泡的發(fā)生、發(fā)展和潰滅過程，以及由此而產(chǎn)生的一系列物理和化學變化［5-6］。目前，對汽蝕的數(shù)值模擬主要還是集中在對汽化的發(fā)生上，許多研究［7-9］均使用數(shù)值模擬軟件對流體介質(zhì)的汽化進行模擬，對流體機械內(nèi)部的空化均進行了很好的預(yù)測；也有研究［7-8］使用全空化模型進行模擬，考慮了流體介質(zhì)本身汽化形成的汽泡和液體中不溶氣體析出形成的汽泡。另外，也有研究［9］求解了不同輸送液體在離心泵內(nèi)的空化情況，其中，油3的性質(zhì)與本行星齒輪油泵用油物理性能較為類似，其運動粘度60.70mm2∕s、飽和汽化壓力為1Pa、不溶氣體含量為8%以上，而常溫下水的物理參數(shù)，其運動粘度1.0087mm2∕s、飽和汽化壓力為2367.8Pa、不溶氣體含量約為2%～3%，對比可知，相對于水，油的飽和汽化壓力小，不溶氣體含量高，更容易汽化，有文獻［10-11］對間隙內(nèi)部潤滑油的運動進行了分析。對于襯套間隙內(nèi)部的流動，其進出口的邊界條件無法準確獲得，本文中將僅計算間隙內(nèi)潤滑油的流動，通過分析間隙內(nèi)壓力變化來判斷汽化發(fā)生的可能性。

4.1 幾何模型及網(wǎng)格

太陽輪齒輪（轉(zhuǎn)動）端部和襯套（靜止）端部形成的間隙內(nèi)的流動十分復雜，計算該間隙區(qū)域的真實流動情況較為困難，需要對間隙的幾何進行一定的簡化，僅考慮太陽輪齒輪端面對間隙流動的影響，將太陽輪齒輪端面簡化成一個和襯套端面同樣尺寸的圓盤，圖7為襯套幾何模型和間隙流場模型。

圖7 襯套幾何模型和間隙流場模型

在運行過程中，太陽輪襯套端面和太陽輪齒輪端面發(fā)生了輕微碰磨，兩端面的間隙值大于等于0mm，本次數(shù)值模擬假設(shè)間隙值分別為0.2mm、0.6mm、1mm，且兩端面平行。

間隙流場網(wǎng)格選用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，在太陽輪端面和襯套端面的間隙網(wǎng)格加密處理，不同間隙模型的網(wǎng)格數(shù)量最終控制400～500W之間。

4.2 工況及邊界條件

使用數(shù)值模擬軟件求解間隙中的穩(wěn)態(tài)流動，選用RNGk-ε湍流模型進行求解。流體介質(zhì)設(shè)定密度為860kg∕m3，40℃的運動粘度為46mm2∕s，設(shè)置進口邊界為流量進口，出口為壓力邊界。太陽輪端面和太陽輪軸設(shè)置為轉(zhuǎn)動壁面，轉(zhuǎn)速為3000r∕min，其余為固定壁面。假定3個行星輪上部軸承所需的潤滑油均來自于該間隙，估算3 個滑動軸承所需的潤滑油流量為1.5L∕min，換算成進口速度約為0.25m∕s，求解時，計算進口速度為0.5m∕s和1m∕s的工況。

4.3 計算結(jié)果

圖8是不同間隙尺寸和進口速度下襯套端面上的壓力云圖，從圖中可以看出，不同間隙和進口速度下，襯套表面的壓力均呈周期性分布，潤滑油隨著太陽輪端面轉(zhuǎn)動時，太陽輪襯套端面和太陽輪齒輪端面之間的間隙截面周期性變化。

圖8 不同工況下間隙表面壓力云圖

對比進口速度0.5m∕s、不同的間隙下襯套表面壓力云圖可知，間隙越大，襯套表面的壓力分布越均勻。對比間隙為0.2mm、不同進口速度下間隙襯套表面的壓力云圖可知，入口速度越大，襯套表面的壓力分布越不均勻。

間隙尺寸越小、進口速度越大越容易在襯套上形成周期性變化的流場，襯套上的間隙尺寸對斷面上潤滑油的流動有決定性作用，而根據(jù)在襯套表面上的磨痕可知，這個間隙很小幾乎為零，實際的間隙內(nèi)的壓力變化比數(shù)值模擬的值會更大。

圖9 為間隙尺寸0.2mm、速度0.5m∕s 工況下，襯套端部半徑分別為18mm、19.5mm和21mm時的襯套表面圓周方向壓力分布（3 個汽蝕坑中心18mm、19mm 和21mm）。從圖中可以看出，3個圓周方向上的壓力分布規(guī)律一致，呈周期性變化，半徑越小，襯套端面周向上的壓力變化值越大，曲線越陡峭。圖中壓力曲線的最高峰處與汽蝕坑的位置吻合，次峰對應(yīng)的是“擋油板”的位置。

圖9 不同半徑圓周方向壓力對比圖

5 結(jié)果與討論

5.1 原因分析

數(shù)值模擬的結(jié)果表明，間隙內(nèi)部圓周方向出現(xiàn)了周期性壓力變化，這種特性會導致汽化或者空化的發(fā)生，最終產(chǎn)生汽蝕。將間隙在圓周方向上展開如圖10所示，太陽輪運轉(zhuǎn)過程中，帶動潤滑油在間隙內(nèi)部周向運行，當潤滑油從小間隙流入“前油腔”“擋油板”“后油腔”（對應(yīng)圖10中的汽泡區(qū)），流動變得紊亂，在這一區(qū)域會產(chǎn)生汽泡，這些汽泡可能是潤滑油汽化或者潤滑油中的不溶氣體析出形成的，這些汽泡隨著潤滑油在圓周方向運動，又進入小間隙較區(qū)域（對應(yīng)圖10 中的潰滅區(qū)），在這一區(qū)域，潤滑油的壓力快速變大再變小，根據(jù)圖9可知，潰滅區(qū)中間為高壓力區(qū)，當汽泡隨著潤滑油快速流向高壓區(qū)域時，汽泡破裂，沖擊太陽輪襯套端面。

圖10 間隙圓周方向示意圖

從襯套的材質(zhì)上進行分析，襯套材質(zhì)為鑄鐵，這種材質(zhì)本身耐汽蝕性能不高，除此之外，其內(nèi)外壁金相組織有明顯差異，汽蝕發(fā)生位置與金相組織異常區(qū)域重合，這些都促進太陽輪襯套端面發(fā)生汽蝕。

間隙過小會導致襯套發(fā)生汽蝕外，還可能會導致潤滑油流量變小，造成3個行星輪軸承的潤滑油不足，潤滑不良。在對行星輪軸承內(nèi)表面的觀察時，發(fā)現(xiàn)行星輪軸承內(nèi)表面鍍層Sn 基合金高溫軟化延展變形到油腔里。

5.2 改進與建議

該襯套的主要作用是和3個行星輪軸承組合形成一個潤滑油供油通路，不受力或者受力較小，短期內(nèi)這種汽蝕對行星齒輪油泵運行影響不大，但是襯套一旦損壞，將影響工作油和潤滑油的供應(yīng)，對整個給水泵的安全運行有影響，建議如下。

（1）該工作∕潤滑泵裝配及襯套設(shè)計時，充分考慮襯套的端面和太陽輪齒輪端面的間隙，避免或者緩解汽化。另外，從結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化，只保留“前油腔”，使得“潰滅區(qū)”的面積更大，壓力分布更加平緩，從一定程度上緩解汽化。

（2）如果不能避免汽化的發(fā)生，則可以采取表面鍍層、強化或者更換耐汽蝕材料的方式來緩解或者避免汽蝕。該襯套尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，可以直接選用耐汽蝕腐蝕的材料替代。

6 結(jié)語

綜上所述，主給水泵液力耦合器中的行星齒輪油泵太陽輪襯套端面出現(xiàn)的點坑失效機理為汽蝕，太陽輪端面與襯套端面的間隙尺寸、襯套表面的形狀以及襯套材料組織不均勻共同作用下，導致襯套表面特定的位置發(fā)生了汽蝕點坑。建議后續(xù)將對間隙進行調(diào)整或者通過更換材料來避免或者緩解汽蝕。