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核安全級離心泵軸承系統(tǒng)的可靠性設(shè)計與研究
文檔作者：
張興
文檔來源：
江蘇飛躍機泵制造有限公司
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2021年03月01日
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電力通用機槭GM、 6Mm Eh'dnc～州rI 核安全級離心泵軸承系統(tǒng)的 可靠性設(shè)計與研究 江蘇飛躍機泵制造有限公司(靖江214537) 張興 【搞疊】植電廠對柱電設(shè)備尤其是特設(shè)安全設(shè)備 的可靠性提出T很高的要求，如何確保特設(shè)安全設(shè)備 在授期間可靠運行，是所有柱電設(shè)備生產(chǎn)商面臨的重大 課題。植安全衄臥式；蛆離，o汞是楦電廠的特設(shè)安奎設(shè) 備，其軸承系統(tǒng)的可靠運行是泵機組運行可靠-性的重要 保障，自泵機組的運行可靠性僅僅通過200h或400h的耐 九試驗、熱沖擊試驗廈抗震試驗等是不蝣的，應(yīng)該對影 響泵機組可靠運行的重點系統(tǒng)邗件進行專項研究，找出 其中的薄弱環(huán)節(jié)，井有針對性地進行改進設(shè)計。 I關(guān)鍵訶l核安全鰒離心錄軸承庭潤滑油l統(tǒng) 暈統(tǒng)可靠性 一．前言 江蘇飛躍機泵制造有限公司設(shè)計制造了一臺核電 廠用核安壘級臥式多級離心泵樣機，該泵為棱電廠安壘 系統(tǒng)用泵，當發(fā)生核島蒸汽管道破裂或LOCA事故時， 該泵必須在無任何先決條件的情況下立即投入使用，向 反應(yīng)堆內(nèi)注水，維持堆芯冷卻，降低反應(yīng)堆的反應(yīng)性。 該泵的抗震等級為sL一2，即不僅要求在發(fā)生SSE地震 時泵能夠起動并投入運行，而且要求在發(fā)生SSE地震 后．還要保持其完整性和功能性。如果說承壓部件的完 整與否是保障泵機組完整性的前提．那幺軸承部件的可 靠運行則是確保泵機組功能的重要保障。 二．軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮了機組無預(yù)潤滑起 動的特點．兩端徑向軸承采用圓柱潦子軸承，推力軸 承采用推力盤／準力瓦結(jié)構(gòu)，軸承潤滑采用稀油強制潤 滑。潤滑油系統(tǒng)由軸頭油泵、調(diào)壓閥、油冷器、過濾 器、刪溫元件、供油管以及回油管等零件組成．軸頭油 泵通過一大-d,兩只齒輪與泵軸聯(lián)動。機組起動后．油 泵從油箱底部吸油，潤滑油經(jīng)調(diào)壓閥、油冷器、過濾器 后通過節(jié)流器分配給驅(qū)動端濠動軸承和非驅(qū)動端滾動軸 承瞳推力軸承，而后經(jīng)回油管回流|0油箱形成一個回路 (見圖1)。 上述軸承及潤滑油系統(tǒng)經(jīng)長時間車間運轉(zhuǎn)試驗， 熱沖擊試驗、熱志運行試驗、雜質(zhì)試驗和抗震試驗的考 核，軸承系統(tǒng)的各項性能指標(熱平衡、振動值等)滿 !。于熙：752011}镕6Ⅻ一“'xml 萬方數(shù)據(jù) lG鼉^屯力通用稅械 I 6M衲隊“rk P? 駙功趟軸堆∞件4F駙曲端輔m“” ^向 ㈣睜瀹讎 國1軸承爰潤滑油系統(tǒng) ％自镕Ⅻ{№2m№*3目Ⅻ*4 5日Ⅱ№十#t 6*m＆7№#8 9^／I、№#1nⅫ&amp;II№☆Ⅻ*12n∞* 足了泵機組特殊工況的使用需要和研制任務(wù)書的各項要 求。 三，問題的提出 考慮到桉電設(shè)備的特殊性．補充了帆組起動時的 潤滑油限流試驗，此試驗用于驗證機組起動時．一旦潤 滑油系統(tǒng)響應(yīng)滯后或由于潤滑油系統(tǒng)中某一部件出現(xiàn)不 可預(yù)知的失效而對軸承系統(tǒng)的影響。試驗時，先關(guān)閉潤 滑油供油閥門．待機組起動lOs后開啟閥門。試驗后對 軸承部件進行了解體檢查．發(fā)現(xiàn)推力瓦有較明顯的擦 痕(見圖2)．而徑向軸承則無可見損傷。通過此項試 驗。說明推力軸承在起動狀態(tài)下對潤滑油系統(tǒng)的響應(yīng)速 度有很大的依耪性，雖然機組起動前，推力軸承腔內(nèi)預(yù) 留有部分潤滑油．但這部分潤滑油不足以在推力盤和推 力瓦問建立起有效油膜．短時間內(nèi)軸承腔預(yù)留的相滑油 能起到一定的潤滑作用．超過一定時間，推力盤和推力 瓦之間摩擦升溫．潤滑油汽化，則推力瓦和推力盤之間 將會產(chǎn)生直接摩擦。 76烹b“Jx,．．。UlM。㈦。。j 圉2推力Ⅱ 四、解決方案 解決上述機組起動狀態(tài)下存在的安全隱患問題， 除了提高潤滑油系統(tǒng)各功能元件的可靠性外，還應(yīng)對軸 承及潤滑油供油系統(tǒng)作更擦人的研究。為此．運用兩種 設(shè)計方法對潤滑油系統(tǒng)加以改進設(shè)計：加大余量設(shè)計法 和冗余設(shè)計法。 由于受到齒輪傳動效率，油冷器、過譴器廈輸油 管路等的阻力損失和齒輪泵、調(diào)壓閥的泄漏損失等因 素的影響．從機組起動到潤滑油選到|殳定壓力至少需 要2～3s，在此期間，陌個徑向軸承和一個推力軸承依 靠軸承腔內(nèi)預(yù)留的少量潤滑油工作。因此，增大軸承腔 潤滑油的預(yù)留量對于起動工況下泵組軸承的可靠運行無 疑是有益的。 兩端徑向軸承腔通過在軸承體外側(cè)增加的輔助小 油箱來擴展儲油量，機組起動時．小油箱內(nèi)的油可進人 軸承腔內(nèi)參與工作；而推力軸承腔則通過提高軸承前支 座上進油孔的水平高度來增大儲油量。上述增大軸承腔 儲油量的方法只是從“量”上對軸承的起動可靠性加以 保障，但要從根本上解決軸承系統(tǒng)的可靠性，還要從 ‘質(zhì)’上加以考慮。 為此，運用冗余設(shè)計的思想，設(shè)計了輔助推力軸 承部件(見圖3)，輔助推力軸承部件由軸承后支座、 QJ系列雙向推力軸承、軸承外套、軸承內(nèi)套、彈簧板 及防轉(zhuǎn)銷等零件組成。QJ軸承與軸承外套及軸承內(nèi)套 過盈配合．軸承外套與軸承后支座軸承孔滑配，泵組起 動后，軸向力迅速建立井拉動轉(zhuǎn)子部件軸向移動．此 時．推力盤和QJ推力軸承隨轉(zhuǎn)子同時受拉．通過軸向 蓐 萬方數(shù)據(jù) 間隙的控制．QJ軸承外套端面首先接觸到彈簧板，彈 簧板利用其剛度支撐著這部分軸向推力．隨著軸向力的 進一步增大，彈簧板開始變形，使推力盤繼續(xù)向推力瓦 靠近，此時潤滑油已經(jīng)全部充滿整個軸承腔內(nèi)，當推力 盤與推力瓦之向達到一定問隙時，油膜建立井形成動壓 鼓應(yīng)。此時，推力盤與QJ軸承一起作用，共同承擔總 的殘余軸向力。 2 3 4 圍3改進后的推力軸承部件 Im^i 2№m女3m^#t目i＆4mt"# 5叫mm#t t#t自#7**＆ 為確保兩組推力軸承按照上述設(shè)計思路配合運 行．彈簧板載荷的測定以硬各軸向間隙的精確控制是整 個設(shè)計環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。為此，設(shè)計了一個彈簧板載荷測定 工裝(見圖4)，用以測定彈簧板的載荷隨軸向位移變 化的特性。一圈4彈簧板載荷測定工蓑 f々98±n 2l#自#i 3#}"#4Ⅻ}^g 5*t* 6#t目女№7m＆女n$≈8i％№9目∞《≈ 電力通用稅甜釧l GMinElectricPoHw I 根據(jù)彈簧板位移一壓力特性，選取0 75ram作為 彈簧扳極限位移(彈性變形)．泵機組起動期間． 彈簧板先變形0 75ram，此時，軸承外套端面與軸承 后支座端面接觸，而推力盤與推力瓦之間還有0 01～ 002ram間隙。當潤滑油建立起油壓后，推力盤與推力 瓦之間建立起動壓教應(yīng)井形成005ram油膜，轉(zhuǎn)子后移 003～004mm．此時彈簧板變形量為0 71～072mm， 軸承外套端面脫開軸承后支9003～004ram。 QJ輔助推力軸承在泵組起動直至正常運行過程中 主要起如下作用。 ”泵組起動階段．在潤滑油壓力還未建立起來的 情況下．承擔轉(zhuǎn)子部件的殘余軸向力，井確保推力盤 處于脫開狀態(tài)。 2)泵正常運轉(zhuǎn)后，分擔推力盤的部分軸向載荷． 與推力盤共同承擔壘部殘余軸向力。 3)即使在推力瓦嚴重磨損，推力盤不起作用的情 況下，QJ推力軸承也有至少2倍的富余承載力來承擔 壘部殘余軸向力。 五、結(jié)論 改進后的軸承及潤滑油系統(tǒng)進行了長時間的車間 運轉(zhuǎn)試驗．多次起停試驗和潤滑油限冼試驗．并進行 了解體檢查，結(jié)果表明．推力軸承沒有明顯的磨損現(xiàn) 象．軸承系統(tǒng)的可靠性得到了大幅度提高。 通過本次核安壘級臥式多級離心泵軸承系統(tǒng)的可 靠性設(shè)計與研究，找出了軸承系統(tǒng)可能存在的安壘隱 患，井有針對性地進行了比較璨八的試驗和研究，最 終完成了該課題的科研攻關(guān)并已將研究成果應(yīng)用于類 似結(jié)構(gòu)的核級泵產(chǎn)品中。 參考文獻 【1】關(guān)醒凡現(xiàn)代泵技術(shù)手冊【M】北京：宇航出版 社．1995 【2】2 A J斯捷潘諾夫離心泵和軸流泵【M】北京：機 械工業(yè)出版社，1980 【3】3減希年．申世飛核電廠系統(tǒng)及設(shè)備【M】北京： 清華大學(xué)出版社，2009 GM (收稿日期：2012／03／22)
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