核电主泵电机推力瓦温度差异性分析

唐彬嘉，毛文军，李俭君

(1. 苏州热工研究院有限公司，广东深圳 518000；2. 东方法马通核泵有限责任公司，四川德阳 618000)

0 引言

本文所述核电主泵采用三轴承结构，承受来自转子的轴向和径向负荷，电机由上部推力轴承组件和下部轴承两部分组成(见图1)。为了掌握和了解这些轴承的运行情况，电机设计时，在每一套轴承中均考虑了两套采用K分度热电偶(华龙一号电机为热电阻)作为测温元件组成测量系统。通过核电厂的DCS系统，能够实时监控这些轴承的运行温度。CPR1000主泵整个转动部件重约17.8 t，在RCP系统静态压力约为37 bar时转动部件自重力略等于向上轴头力；主泵电机在空载或一回路低压时，下推力瓦承受转子轴向负荷，在推力头高速旋转下推力头与推力瓦、润滑油共同作用产生动压效应，建立油膜，润滑油与推力头、推力瓦摩擦产生温升。理论上空载或一回路低压时上推力瓦温度应低于下推力瓦，大多数CPR1000主泵电机空载或在一回路低压状态运行时，下推力瓦温度略高于或接近上推力瓦。少数电机是上推力瓦温度高于下推力瓦，而华龙一号主泵电机在空载过程中温度均是上推力瓦高于下推力瓦，因此本文对主泵电机运行时推力瓦温度差异性进行分析。下文以CPR1000主泵电机和华龙一号主泵电机的实际运行参数为基础进行分析(见表1)。

表1 某CPR1000主泵电机与某华龙一号主泵电机的运行温度数据 单位：℃

图1 核泵电机结构图

表中数据可看出CPR1000主泵电机空载时上推力瓦温度比下推力瓦高2.3 ℃。RCP系统压力25 bar时，上推力瓦温升约8 ℃下，下推力瓦温升约4 ℃；上推力瓦温度比下推力瓦高约4 ℃。当RCP系统压力从25 bar上升到68 bar时，因RCP系统轴向力不断增加使下推力瓦受力逐渐减少，从而使下推力瓦温度略降2 ℃，这时上推力瓦温度几乎没变化，上、下推力瓦温差扩大约6 ℃；说明RCP系统压力增加能减少下推力瓦承受负荷，从而降低下推力瓦温度。

华龙一号电机在空载时上推力瓦温升17 ℃，下推力瓦温升10.4 ℃，上推力瓦温度比下推力瓦高约6.6 ℃；且上推力瓦与上导瓦温度较接近，即上推力瓦温度偏高。

综上，主泵电机存在空载及低压工况下上推力瓦比下推力瓦温度高，且在空载时华龙一号电机上、下推力瓦的温度差异性更大。

1 轴承装配及其测温原理

测温元件按照设计要求合理地分布在上部轴承轴瓦中，主泵电机采用的是能自动找平的金斯伯里(Kingsbury)型推力轴承和可倾斜式的导轴承(见图2)，承受轴向和径向载荷；上、下推力轴承的推力瓦表面衬有巴氏合金，与推力头的总间隙在0.40 mm左右。上导轴承的导瓦表面也衬有巴氏合金，它与推力头单边间隙为0.12 mm左右;它的冷却润滑由自身油泵通过两个喷油管供应。

图2 上部轴结构图

CPR1000主泵电机推力瓦使用的是K-型热电偶(华龙一号为PT100铂热电阻)，由一根镍-铬材料和一根K型镍合金包含在核级氧化镁高压套管内，套管不锈钢牌号为Z 2CND 1712。采用热对接焊缝完全包在无机绝缘里，不与外部套管的端部接触。连接的端部用玻璃纤维绝缘，通过“热电效应”将温度变化转化为电压信号。装配时，将φ3 mm的热电偶探头端装配到φ8 mm推力瓦测温孔内(见图3)，并通过NPT螺纹锁定在推力瓦上，且要求热电偶顶部与测温孔底部不能接触，有10 mm间隙(CPR1000和华龙一号电机测温结构已改进，在热电偶探头上加了一件绝缘套管保证不与推力瓦测温孔接触)。

图3 测温元件装配示意

主泵电机轴承设计程序中，不仅仅只考虑目标瓦的温升，还考虑了其它所有轴承零部件发热及流体因数影响。测温系统设计来自于一个成熟的主泵电机轴承设计程序，它是通过评价轴瓦轴衬温升、轴瓦油膜温升和油槽温升等因素来综合评价轴承轴瓦的温度。使用这个程序设计的推力轴承，主要评价要素集中在轴瓦的平均温度上(通过测温孔测量)。图4简要地定性展示了轴瓦温度测量技术方案中，瓦面摩擦温度、轴瓦衬里温度、油膜温度和轴瓦平均温度之间的关系；可以看出，主泵推力瓦的温度测量值为综合温度。

图4 主泵轴瓦温度分布原理

2 主泵电机推力轴承流场分析

2.1 推力瓦测温结构介绍

推力瓦测温元件测得的温度实为推力瓦测温孔内润滑油的平均温度，而测温孔内的润滑油是通过在推力瓦上两个互为90°的φ3 mm孔形成回路通道(见图5)。一个φ3 mm孔在推力瓦右侧边中间位置，高度约为瓦厚度的1/3(见图6)；另一个φ3 mm孔在推力瓦上端面靠近外圆弧面长度方向上约1/3处；推力瓦两侧边有约6 mm深的凹槽。

图5 上推力瓦结构示意图

图6 测温孔流道示意图

2.2 推力轴承流场分析

2.2.1 计算程序简介

流体润滑轴承性能计算通常用数值法求解，经过离散化处理雷诺方程所得的线性代数方程，得到各节点上的压力分布，温度分布等；然后进行数值积分和运算可得出轴承的各项性能参数。

2.2.2 CPR1000主泵电机推力轴承流场分析

为研究推力轴承运行时推力瓦周边的油流情况，采用CFD软件对主泵推力轴承冷却油系统进行了流体动力学计算，其中8块上推力瓦的流场和下推力瓦的流场趋势一致。以两块上推力瓦瓦间流场为例进行如下分析：

(1) 来自油箱中的冷却油从瓦间外端面进入流道，一部分冷油在靠近瓦间内缘处与来自轴腔的热油交汇，流速发生一定改变，交汇后的油流进入到瓦间上部区域，另一部分油流则从瓦间流道底部继续向轴腔方向流去，与轴腔热油交汇融合。

(2) 瓦间流道内的流动非常复杂，为进一步掌握瓦间冷却油的流动规律，将瓦间流道在径向方向从上到下分为1、2、3个截面进行分析(见图7)。

图7 瓦间流道径向截面

可以看出流道外端面进入的油流能较平顺的进入到瓦间2/3位置处，受推力头高速旋转的作用在进入瓦间流道的同时会伴随着较强的旋转运动，从流道径向截面1和3的速度分布图中即可明显看出，靠近推力头的径向截面3的与靠近上推轴承座的轴截面1的径向速度方向相反。

冷热交替汇合后的润滑油到达推力头上轴腔后，推力头离心力将混合后热油甩出，在瓦间流道1/3处与推力头外圆进入的冷油对冲，一部分冷油进入推力头上轴腔，对冲后混合热油向上并沿着转子相反方向运动进入推力瓦上端面φ3 mm孔，测温孔润滑油从上推力瓦侧面的φ3 mm孔排出；形成动态的测温回路。

2.2.3 华龙一号主泵电机推力轴承流场分析

华龙一号电机为第三代核电电机，它的推力瓦两侧边没有像CPR1000推力瓦那样有深6 mm凹槽，而该凹槽功能有导流作用。从华龙一号电机上推力瓦瓦间流到中间轴面速度分量来看，各瓦间流道的速度分布基本一致，来自油箱中的冷却油从瓦间外端面进入流道，一部分冷油在靠近瓦间内缘处与来自上轴腔的热油交汇，流速发生较大改变，存在较强的冲击对流现象，交汇后的油流进入到瓦间上部区域。与“CPR1000”不同的是，“华龙一号”瓦间没有油流从瓦间流道直接进入上部轴腔，从油箱进入到上推力瓦瓦间流道中的冷流全部被从内端面进入的油流阻塞，使内端面的热油(包括上导瓦腔室流入的热油)不能及时冷却，造成上推力瓦温度偏高。

3 主泵电机推力瓦温度差异性分析

3.1 CPR1000电机上、下推力瓦温度差异性分析

理论上主泵电机在空载或一回路低压时，下推力瓦温度应高于上推力瓦，但实际上有少数电机是上推力瓦温度高于下推力瓦。对于这一差异性我们可以从机械、流体、测量这三方面进行分析，然后逐一排查找到可能原因，图8为根据主泵电机的结构及功能分析出的可能因数。

图8 上推力瓦温度高可能因数

3.1.1 机械方面原因

当电机轴承间隙偏小或与推力头产生卡涩时，在下推力瓦承载情况下，可能会引起上推力瓦温度比下推力瓦高，因为轴承间隙偏小可能会造成上推力瓦某一块或几块瓦与推力头摩擦力增大，从而发热大；上推轴承卡涩也会使上推力瓦与推力头摩擦力增大而发热大(注：主泵运行时推力头不与推力瓦直接接触，它们的摩擦介质为运行油；推力轴承能够自动找平)。

从表1 CPR1000电机运行数据可以看出，冷试25 bar到68 bar上推力瓦温度基本没增加，超过68 bar后推力瓦温度随压力升高而升高；若上推力轴承发生卡涉使上推力瓦不能向上移动，会造成上推温升较大。查询同一核岛另外两台主泵电机上推力瓦温升趋势一致；且主泵电机轴承为成熟使用的金斯伯里轴承，能自动找平，造成轴承卡涩的几率很微小，因此轴承卡涉造成上推温升高可能性小。

查询该CPR1000机组三台主泵EOMM完工文件，推力轴承间隙分别为0.40、0.40、0.41 mm，三台泵推力轴承间隙相当，排除轴承间隙偏小因数。

3.1.2 流体方面原因

上推力瓦测温元件测的温度实为测温孔内综合(混合)温度，测温孔内的温度来源我们可以分为两部分，一部分是上推力瓦本身的摩擦发热，另一部分是通过φ3 mm小孔进入测温孔的冷油、热油混合。

上导瓦的冷却润滑油由黏滞泵上的两个油管供应，上导瓦的热油排出路径主要分为两个，一个是上导瓦盖板上的12个孔，另一个是推力头与上导轴承铜环0.5～0.55 mm环状间隙。黏滞泵上的两个油管总出油面积约为348 mm2，推力头外圆与上推轴承间隙取值为0.5 mm时，整个环状间隙面积约为710 mm2，大于两进油管总面积，理论上黏滞泵上的两个油管供应的油能够完全从推力头与上推轴承座铜环间隙流出。但由于电机高速旋转产生离心力，阻碍了上导油室热油向下传动；当上导油室油灌满后，推力头离心力和黏滞泵供油压力将使上导油室产生一定压力，使上导油室更多的热油能够沿着推力头向下，流到推力头的上轴腔。流入推力头上轴腔的上导热油与上推力瓦摩擦产生的热量综合混合后进入上推力瓦φ3 mm进油孔，上推热电偶测量温度即是该综合温度，故上推力瓦测得的温度比实际温度略高。

另外，油冷却器冷油管道与上部油室的底面距离约300 mm，略高于上推力头；冷油管道进口与上、下推力瓦测温瓦距离较接近，且冷油管道有一定倾角，冷油管道的倾角位置差异(油管道为人工焊接)会影响推力瓦测温差异。当冷油进入轴承腔室后，冷油管角度偏差可能使更多的冷油进入下推力测温瓦周边或改变瓦间流道，使下推力瓦测得温度偏低；从而使主泵电机上推力瓦温度比下推力瓦高。

因此在主泵电机下推力瓦承载时，上导热油流入推力头上轴腔和冷油管道角度偏差的综合因数是上推力瓦温度比下推力瓦高(或接近)的可能原因。

查询该CPR1000机组三台主泵采用相同品牌润滑油，因此可以基本排除流体介质差异引起上推温度比下推高，该因数可能性较小。

3.1.3 测量原因

电厂工作人员在得知该CPR1000电机推力瓦温度差异情况后，用就地温度巡检仪测量了上、下推力瓦温度，数据与DCS系统测量的相当，因此可以排除测量误差原因。

根据热力学原理，测量对象与测量设备的位置关系与最终测量温度呈反比例关系，即测温元件离测温对象距离越远，测量的温度越低；反之越近则温度越高。

然而核电主泵(华龙一号和CPR1000)推力瓦热电偶装配目前采用Framatome最新技术，在测温探头台阶部位套有一个绝缘套管，测温探头套上绝缘套管后直接插入推力瓦测温孔，这可以保证4件测温探头在上、下推力瓦测温孔的插入深度一致性以及探头不会与推力瓦测温孔壁接触(见图9)，因此探头装配偏差可能因数较小。

图9 测温探头装配示意图

综上，流体介质的流道差异可能是CPR1000主泵电机空载或一回路低压状态下，产生上推力瓦温度比下推力瓦高(或接近)的原因。

3.2 CPR1000主泵电机与华龙一号主泵电机推力瓦温度差异

CPR1000主泵电机空载时有少部分电机上推力瓦温度比下推力瓦高，而华龙一号电机在空载时上推力瓦温度均比下推力瓦高，且与上导瓦温度较接近；造成这一差异的根本原因是华龙电机推力瓦的结构设计差异。它的推力瓦两侧边没有像CPR1000推力瓦那样有深为6 mm凹槽，而该凹槽功能有导流作用。没有6 mm凹槽会使油箱进入到上推力瓦瓦间流道中的冷流全部被从内端面进入的油流阻塞(见图10)，使内端面的热油不能及时冷却，造成上推力瓦温度偏高，从而造成上推力瓦温度均比下推力瓦高。

图10 介质流程示意图

4 结论

核电主泵电机推力瓦温度差异主要是由于流体方面的介质流道影响，以及新一代华龙一号主泵推力瓦的结构设计不同产生。随着我国核电站的建设规模越来越大、建设速度越来越快，CPR1000主泵国产化已进入尾声，新产品华龙一号已稳步进行；主泵电机制造、安装技术亦日益完善。由于我国在主泵设计制造方面的起步较晚，特别是对于主泵轴承的设计制造及应用经验较少，机组在实际运行监控中偶尔会遇到一些难以理解的困难，我们可从基本结构、功能入手分析，多方面、多角度的思考，只要原因分析正确、思路对位，问题便会迎刃而解。