AP1000主泵飛輪及水潤滑軸承研究

摘 要：主泵是核電廠之中具有極高應用價值的泵，在核島系統之中的一回路體系之中，需要通過對冷凍劑進行驅動，需要處理的冷卻劑主要是存在于反應堆之中的冷卻劑，主泵主要發揮出的作用就是控制內部的循環性流動情況。主泵的位置一般在核島系統的心臟部位，應用主泵可以幫助系統之中的蒸發器將熱水轉變為熱能，在核島的水循環系統之中，一般的蒸汽發生裝置位置都會安裝一個主泵。飛輪是主泵之中一個極為關鍵的盤形零件，其主要發揮的作用幾乎等同于能量存儲器，本文對其AP1000核電系統之中的主泵的水潤滑軸承與飛輪進行分析。

關鍵詞：AP1000；主泵；飛輪；水潤滑軸承；核島

AP1000是當前經官方認證的極為先進、安全的新型核電站，其建設基礎主要是西屋特殊的壓水反應對技術，可以實現經濟性極高的核電經營活動，不需要對其開展過多的維護與檢測，在核電領域之中具有極高的應用價值。其主泵的基本形態區別于一般的主泵，主泵系統之中的水潤滑軸承與飛輪裝置都比較特殊，受到AP1000設計方案的約束，這兩個部件都有相對比較特殊的設計要求，技術人員尤其需要控制好飛輪的基本直徑，盡可能地提升飛輪的原有轉動慣量，本文對這一核電系統之中主泵裝置的水潤滑軸承與飛輪裝置進行分析。

1 摩擦損失情況分析

在對該核電裝置的主泵零部件設計情況進行研究之前，首先需要相對主泵中比較特殊的浸水型重金屬材質的飛輪造成的摩擦性損失情況進行了解：當固體在也液體中進行運動的時候，固體的表面部位會與產生一定的摩擦，固體的表面與摩擦力保持平衡的狀態，之間產生的新的力學元素被稱為切向力，在單位面積之中，可以將切向力記為τ，當液體的密度越大，切向力的數值也就越大，液體與固體之間存在的相對速度被記為W，借助下面這個公式可以將切向力計算出來，在公式之中，比例常數記為K，K的數值與固體的表面部位的粗糙程度存在關系。

△M=τ△FR=K？籽W2△FR

AP1000反應堆之中的主泵之中一般設有兩個飛輪，這兩個飛輪的外形極為相似，表面的基本粗糙程度也相差不多，忽視下部飛輪產生的摩擦損耗，設定飛輪的端面之中飛輪運動狀態也相似，則可以得出以下這個公式，主要是對其相對應的微小表面的面積△F與切向力△M之間關系進行表示：

△M=K'？籽？棕2R■■

2 水潤滑軸承的基本設計原理分析

在對水潤滑型的推力軸承進行研究的時候，技術人員需要對其基本設計原理有充分了解，當主泵開始運轉的時候，需要避免推力盤產生過多的摩擦情況，一旦出現了固態摩擦的情況，尤其是出現直接摩擦的問題時，主泵之中的軸徑、軸承以及推力瓦等部件就會被嚴重損壞，尤其是出現推力瓦與推力盤摩擦問題的時候，為了避免軸承損耗嚴重的問題頻繁發生，技術人員需要確保軸承之間出現的摩擦是液態摩擦，降低固態能偶擦出現的可能性。在AP1000反應堆之中，主系統存在無閥的特點，因此不能將主泵設計成防倒轉機的形態，但是可以適當地應用幾個中心推力式的軸承。依靠力盤的自轉活動就可以借助潤滑液形成液楔，進一步形成壓力型液膜。

斯特爾貝克原理：以普通常用的軸頸軸承為例來分析軸承中的摩擦情況。假設軸頸與軸承是同心的，軸頸的圓周滑動速度為u，軸頸與軸承徑向間隙為h，軸承寬度為b，軸承半徑為r。摩擦力F為：

F=μ■2？仔rb

式中，μ為運動粘度。設軸承的單位承載負荷為P，則整個軸承的承載能力P=2rbp（p為軸承平均單位載荷）。摩擦系數f可由Petroff公式計算：

f=■=？仔■=2？仔2■■

式中，n為軸頸轉速。軸承承受較大載荷而轉速又低的情況下，軸頸要產生偏心，在軸承軸頸間產生楔形小間隙，發生與前述相似的壓力升高現象，使承載力平衡于外載荷。

3 推力軸承與上徑軸承之間存在的相互作用分析

當按照Raimondi和Boyd方程計算時，根據以下假設來確定溫升：在冷卻劑流過軸承時，由摩擦產生的所有熱量使潤滑劑溫度升高，由于水的粘度較低，軸頸將潤滑液從后沿輸送到前沿的過程中，沒有潤滑液留在后沿。滿經過工程耐久試驗后AP1000主泵的上徑向軸承沒有發生磨損，可以認為其滿足設計要求。徑向軸承運行符合以上要求，則軸頸中心與軸承中心就有一個偏心；對于AP1000主泵如此大的軸頸，滿足全液潤滑，其偏心值為10μm以上。即：在運行過程中，由于徑向軸承液膜壓力，始終推動轉軸與軸承軸線有一個傾角β，要求推力盤形成全液摩擦所需的最低轉速遠不止20r/min；只要低速運行，推力瓦就會產生劃痕甚至磨損。

4 雙飛輪給主泵帶來的基本影響

在常溫狀態下，水的密度是空氣密度的800倍，而轉動慣量僅僅為931kg·m2的主泵，浸水重金屬雙飛輪的粘滯摩擦耗功至少是泵組功率的1/7。作為對比，轉動慣量達到3800～7600kg·m2的軸密封主泵，飛輪的耗功還不到泵組功率的3%。J.W.戴利和R.E.奈斯關于在水中自由旋轉的圓盤摩擦損失的計算公式只考慮圓盤自由在水中轉動，沒有考慮介質在2個屏蔽套中窄間隙流動損失和下飛輪推力面的損耗。假定飛輪的外徑為900mm，可以算出飛輪在水中旋轉的粘滯阻力功耗很大：1個飛輪的損耗為585馬力（1馬力=0.735kW），2個飛輪的損耗為1170馬力。考慮下飛輪作為軸承推力盤的損耗，總損耗大約為1100kW。初始計算飛輪的損失僅為1000kW以下，但是通過試驗得出飛輪的損失遠遠超過1100kW，占整個屏蔽泵中最大的損失份額，是造成屏蔽泵效率極低的最重要的因素。

結束語

通過本文對AP1000主泵系統的詳細分析可以獲得以下幾個結論：由于浸水型重金屬材質的飛輪具有耗功相對比較大的特點，因此需要對其飛輪的安裝情況進行精心設計，需要在主泵中安裝兩個飛輪，而飛輪運行需要消耗一定的功率，因此主泵系統的總體功率消耗量增加，屏蔽套裝置的原有直徑也被增加，該位置的功率損耗情況變得更為嚴重；如果不安裝這個金屬飛輪，需要通過改變屏蔽電機主泵的原有惰轉時間來對核電系統的設計要求進行滿足，而在改造之后泵組的原有運行效率提升，泵組的自重有所增加。這種飛輪改造工作還可以將軸承帶給主泵的損傷情況減少，對主泵電機的屏蔽套進行保護，其屏蔽電機還需要被繼續改造，一道道高效率運行的應用要求。

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