AP1000主泵飞轮及水润滑轴承研究

摘 要：主泵是核电厂之中具有极高应用价值的泵，在核岛系统之中的一回路体系之中，需要通过对冷冻剂进行驱动，需要处理的冷却剂主要是存在于反应堆之中的冷却剂，主泵主要发挥出的作用就是控制内部的循环性流动情况。主泵的位置一般在核岛系统的心脏部位，应用主泵可以帮助系统之中的蒸发器将热水转变为热能，在核岛的水循环系统之中，一般的蒸汽发生装置位置都会安装一个主泵。飞轮是主泵之中一个极为关键的盘形零件，其主要发挥的作用几乎等同于能量存储器，本文对其AP1000核电系统之中的主泵的水润滑轴承与飞轮进行分析。

关键词：AP1000；主泵；飞轮；水润滑轴承；核岛

AP1000是当前经官方认证的极为先进、安全的新型核电站，其建设基础主要是西屋特殊的压水反应对技术，可以实现经济性极高的核电经营活动，不需要对其开展过多的维护与检测，在核电领域之中具有极高的应用价值。其主泵的基本形态区别于一般的主泵，主泵系统之中的水润滑轴承与飞轮装置都比较特殊，受到AP1000设计方案的约束，这两个部件都有相对比较特殊的设计要求，技术人员尤其需要控制好飞轮的基本直径，尽可能地提升飞轮的原有转动惯量，本文对这一核电系统之中主泵装置的水润滑轴承与飞轮装置进行分析。

1 摩擦损失情况分析

在对该核电装置的主泵零部件设计情况进行研究之前，首先需要相对主泵中比较特殊的浸水型重金属材质的飞轮造成的摩擦性损失情况进行了解：当固体在也液体中进行运动的时候，固体的表面部位会与产生一定的摩擦，固体的表面与摩擦力保持平衡的状态，之间产生的新的力学元素被称为切向力，在单位面积之中，可以将切向力记为τ，当液体的密度越大，切向力的数值也就越大，液体与固体之间存在的相对速度被记为W，借助下面这个公式可以将切向力计算出来，在公式之中，比例常数记为K，K的数值与固体的表面部位的粗糙程度存在关系。

△M=τ△FR=K？籽W2△FR

AP1000反应堆之中的主泵之中一般设有两个飞轮，这两个飞轮的外形极为相似，表面的基本粗糙程度也相差不多，忽视下部飞轮产生的摩擦损耗，设定飞轮的端面之中飞轮运动状态也相似，则可以得出以下这个公式，主要是对其相对应的微小表面的面积△F与切向力△M之间关系进行表示：

△M=K'？籽？棕2R■■

2 水润滑轴承的基本设计原理分析

在对水润滑型的推力轴承进行研究的时候，技术人员需要对其基本设计原理有充分了解，当主泵开始运转的时候，需要避免推力盘产生过多的摩擦情况，一旦出现了固态摩擦的情况，尤其是出现直接摩擦的问题时，主泵之中的轴径、轴承以及推力瓦等部件就会被严重损坏，尤其是出现推力瓦与推力盘摩擦问题的时候，为了避免轴承损耗严重的问题频繁发生，技术人员需要确保轴承之间出现的摩擦是液态摩擦，降低固态能偶擦出现的可能性。在AP1000反应堆之中，主系统存在无阀的特点，因此不能将主泵设计成防倒转机的形态，但是可以适当地应用几个中心推力式的轴承。依靠力盘的自转活动就可以借助润滑液形成液楔，进一步形成压力型液膜。

斯特尔贝克原理：以普通常用的轴颈轴承为例来分析轴承中的摩擦情况。假设轴颈与轴承是同心的，轴颈的圆周滑动速度为u，轴颈与轴承径向间隙为h，轴承宽度为b，轴承半径为r。摩擦力F为：

F=μ■2？仔rb

式中，μ为运动粘度。设轴承的单位承载负荷为P，则整个轴承的承载能力P=2rbp（p为轴承平均单位载荷）。摩擦系数f可由Petroff公式计算：

f=■=？仔■=2？仔2■■

式中，n为轴颈转速。轴承承受较大载荷而转速又低的情况下，轴颈要产生偏心，在轴承轴颈间产生楔形小间隙，发生与前述相似的压力升高现象，使承载力平衡于外载荷。

3 推力轴承与上径轴承之间存在的相互作用分析

当按照Raimondi和Boyd方程计算时，根据以下假设来确定温升：在冷却剂流过轴承时，由摩擦产生的所有热量使润滑剂温度升高，由于水的粘度较低，轴颈将润滑液从后沿输送到前沿的过程中，没有润滑液留在后沿。满经过工程耐久试验后AP1000主泵的上径向轴承没有发生磨损，可以认为其满足设计要求。径向轴承运行符合以上要求，则轴颈中心与轴承中心就有一个偏心；对于AP1000主泵如此大的轴颈，满足全液润滑，其偏心值为10μm以上。即：在运行过程中，由于径向轴承液膜压力，始终推动转轴与轴承轴线有一个倾角β，要求推力盘形成全液摩擦所需的最低转速远不止20r/min；只要低速运行，推力瓦就会产生划痕甚至磨损。

4 双飞轮给主泵带来的基本影响

在常温状态下，水的密度是空气密度的800倍，而转动惯量仅仅为931kg·m2的主泵，浸水重金属双飞轮的粘滞摩擦耗功至少是泵组功率的1/7。作为对比，转动惯量达到3800～7600kg·m2的轴密封主泵，飞轮的耗功还不到泵组功率的3%。J.W.戴利和R.E.奈斯关于在水中自由旋转的圆盘摩擦损失的计算公式只考虑圆盘自由在水中转动，没有考虑介质在2个屏蔽套中窄间隙流动损失和下飛轮推力面的损耗。假定飞轮的外径为900mm，可以算出飞轮在水中旋转的粘滞阻力功耗很大：1个飞轮的损耗为585马力（1马力=0.735kW），2个飞轮的损耗为1170马力。考虑下飞轮作为轴承推力盘的损耗，总损耗大约为1100kW。初始计算飞轮的损失仅为1000kW以下，但是通过试验得出飞轮的损失远远超过1100kW，占整个屏蔽泵中最大的损失份额，是造成屏蔽泵效率极低的最重要的因素。

结束语

通过本文对AP1000主泵系统的详细分析可以获得以下几个结论：由于浸水型重金属材质的飞轮具有耗功相对比较大的特点，因此需要对其飞轮的安装情况进行精心设计，需要在主泵中安装两个飞轮，而飞轮运行需要消耗一定的功率，因此主泵系统的总体功率消耗量增加，屏蔽套装置的原有直径也被增加，该位置的功率损耗情况变得更为严重；如果不安装这个金属飞轮，需要通过改变屏蔽电机主泵的原有惰转时间来对核电系统的设计要求进行满足，而在改造之后泵组的原有运行效率提升，泵组的自重有所增加。这种飞轮改造工作还可以将轴承带给主泵的损伤情况减少，对主泵电机的屏蔽套进行保护，其屏蔽电机还需要被继续改造，一道道高效率运行的应用要求。

参考文献

[1]郑昂，贾谦，王晓宁，袁小阳.基于流固热润滑模型的水润滑可倾瓦轴承频变动力学性能分析.全国转子动力学学术讨论会rotdyn'2010.

[2]乔彦龙，梁军，王兆希，孙明涛.Ap1000屏蔽式主泵维修可行性分析.Nuclear Science＼s&＼stechnology，2014，02（3），40-44.

[3]曲建，柴文虎，赖俊良.屏蔽电机重金属钨合金飞轮制造技术研究.中国电工技术学会大电机专业委员会2014年学术年会论文集，2014）.

[4]张东，王超.Ap1000机组主给水润滑油冲洗简介.工程技术：全文版2016（9），00249-00250.