核電主泵電機推力瓦溫度差異性分析

唐彬嘉，毛文軍，李儉君

(1. 蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518000；2. 東方法馬通核泵有限責任公司，四川德陽 618000)

0 引言

本文所述核電主泵采用三軸承結構，承受來自轉子的軸向和徑向負荷，電機由上部推力軸承組件和下部軸承兩部分組成(見圖1)。為了掌握和了解這些軸承的運行情況，電機設計時，在每一套軸承中均考慮了兩套采用K分度熱電偶(華龍一號電機為熱電阻)作為測溫元件組成測量系統。通過核電廠的DCS系統，能夠實時監控這些軸承的運行溫度。CPR1000主泵整個轉動部件重約17.8 t，在RCP系統靜態壓力約為37 bar時轉動部件自重力略等于向上軸頭力；主泵電機在空載或一回路低壓時，下推力瓦承受轉子軸向負荷，在推力頭高速旋轉下推力頭與推力瓦、潤滑油共同作用產生動壓效應，建立油膜，潤滑油與推力頭、推力瓦摩擦產生溫升。理論上空載或一回路低壓時上推力瓦溫度應低于下推力瓦，大多數CPR1000主泵電機空載或在一回路低壓狀態運行時，下推力瓦溫度略高于或接近上推力瓦。少數電機是上推力瓦溫度高于下推力瓦，而華龍一號主泵電機在空載過程中溫度均是上推力瓦高于下推力瓦，因此本文對主泵電機運行時推力瓦溫度差異性進行分析。下文以CPR1000主泵電機和華龍一號主泵電機的實際運行參數為基礎進行分析(見表1)。

表1 某CPR1000主泵電機與某華龍一號主泵電機的運行溫度數據 單位：℃

圖1 核泵電機結構圖

表中數據可看出CPR1000主泵電機空載時上推力瓦溫度比下推力瓦高2.3 ℃。RCP系統壓力25 bar時，上推力瓦溫升約8 ℃下，下推力瓦溫升約4 ℃；上推力瓦溫度比下推力瓦高約4 ℃。當RCP系統壓力從25 bar上升到68 bar時，因RCP系統軸向力不斷增加使下推力瓦受力逐漸減少，從而使下推力瓦溫度略降2 ℃，這時上推力瓦溫度幾乎沒變化，上、下推力瓦溫差擴大約6 ℃；說明RCP系統壓力增加能減少下推力瓦承受負荷，從而降低下推力瓦溫度。

華龍一號電機在空載時上推力瓦溫升17 ℃，下推力瓦溫升10.4 ℃，上推力瓦溫度比下推力瓦高約6.6 ℃；且上推力瓦與上導瓦溫度較接近，即上推力瓦溫度偏高。

綜上，主泵電機存在空載及低壓工況下上推力瓦比下推力瓦溫度高，且在空載時華龍一號電機上、下推力瓦的溫度差異性更大。

1 軸承裝配及其測溫原理

測溫元件按照設計要求合理地分布在上部軸承軸瓦中，主泵電機采用的是能自動找平的金斯伯里(Kingsbury)型推力軸承和可傾斜式的導軸承(見圖2)，承受軸向和徑向載荷；上、下推力軸承的推力瓦表面襯有巴氏合金，與推力頭的總間隙在0.40 mm左右。上導軸承的導瓦表面也襯有巴氏合金，它與推力頭單邊間隙為0.12 mm左右;它的冷卻潤滑由自身油泵通過兩個噴油管供應。

圖2 上部軸結構圖

CPR1000主泵電機推力瓦使用的是K-型熱電偶(華龍一號為PT100鉑熱電阻)，由一根鎳-鉻材料和一根K型鎳合金包含在核級氧化鎂高壓套管內，套管不銹鋼牌號為Z 2CND 1712。采用熱對接焊縫完全包在無機絕緣里，不與外部套管的端部接觸。連接的端部用玻璃纖維絕緣，通過“熱電效應”將溫度變化轉化為電壓信號。裝配時，將φ3 mm的熱電偶探頭端裝配到φ8 mm推力瓦測溫孔內(見圖3)，并通過NPT螺紋鎖定在推力瓦上，且要求熱電偶頂部與測溫孔底部不能接觸，有10 mm間隙(CPR1000和華龍一號電機測溫結構已改進，在熱電偶探頭上加了一件絕緣套管保證不與推力瓦測溫孔接觸)。

圖3 測溫元件裝配示意

主泵電機軸承設計程序中，不僅僅只考慮目標瓦的溫升，還考慮了其它所有軸承零部件發熱及流體因數影響。測溫系統設計來自于一個成熟的主泵電機軸承設計程序，它是通過評價軸瓦軸襯溫升、軸瓦油膜溫升和油槽溫升等因素來綜合評價軸承軸瓦的溫度。使用這個程序設計的推力軸承，主要評價要素集中在軸瓦的平均溫度上(通過測溫孔測量)。圖4簡要地定性展示了軸瓦溫度測量技術方案中，瓦面摩擦溫度、軸瓦襯里溫度、油膜溫度和軸瓦平均溫度之間的關系；可以看出，主泵推力瓦的溫度測量值為綜合溫度。

圖4 主泵軸瓦溫度分布原理

2 主泵電機推力軸承流場分析

2.1 推力瓦測溫結構介紹

推力瓦測溫元件測得的溫度實為推力瓦測溫孔內潤滑油的平均溫度，而測溫孔內的潤滑油是通過在推力瓦上兩個互為90°的φ3 mm孔形成回路通道(見圖5)。一個φ3 mm孔在推力瓦右側邊中間位置，高度約為瓦厚度的1/3(見圖6)；另一個φ3 mm孔在推力瓦上端面靠近外圓弧面長度方向上約1/3處；推力瓦兩側邊有約6 mm深的凹槽。

圖5 上推力瓦結構示意圖

圖6 測溫孔流道示意圖

2.2 推力軸承流場分析

2.2.1 計算程序簡介

流體潤滑軸承性能計算通常用數值法求解，經過離散化處理雷諾方程所得的線性代數方程，得到各節點上的壓力分布，溫度分布等；然后進行數值積分和運算可得出軸承的各項性能參數。

2.2.2 CPR1000主泵電機推力軸承流場分析

為研究推力軸承運行時推力瓦周邊的油流情況，采用CFD軟件對主泵推力軸承冷卻油系統進行了流體動力學計算，其中8塊上推力瓦的流場和下推力瓦的流場趨勢一致。以兩塊上推力瓦瓦間流場為例進行如下分析：

(1) 來自油箱中的冷卻油從瓦間外端面進入流道，一部分冷油在靠近瓦間內緣處與來自軸腔的熱油交匯，流速發生一定改變，交匯后的油流進入到瓦間上部區域，另一部分油流則從瓦間流道底部繼續向軸腔方向流去，與軸腔熱油交匯融合。

(2) 瓦間流道內的流動非常復雜，為進一步掌握瓦間冷卻油的流動規律，將瓦間流道在徑向方向從上到下分為1、2、3個截面進行分析(見圖7)。

圖7 瓦間流道徑向截面

可以看出流道外端面進入的油流能較平順的進入到瓦間2/3位置處，受推力頭高速旋轉的作用在進入瓦間流道的同時會伴隨著較強的旋轉運動，從流道徑向截面1和3的速度分布圖中即可明顯看出，靠近推力頭的徑向截面3的與靠近上推軸承座的軸截面1的徑向速度方向相反。

冷熱交替匯合后的潤滑油到達推力頭上軸腔后，推力頭離心力將混合后熱油甩出，在瓦間流道1/3處與推力頭外圓進入的冷油對沖，一部分冷油進入推力頭上軸腔，對沖后混合熱油向上并沿著轉子相反方向運動進入推力瓦上端面φ3 mm孔，測溫孔潤滑油從上推力瓦側面的φ3 mm孔排出；形成動態的測溫回路。

2.2.3 華龍一號主泵電機推力軸承流場分析

華龍一號電機為第三代核電電機，它的推力瓦兩側邊沒有像CPR1000推力瓦那樣有深6 mm凹槽，而該凹槽功能有導流作用。從華龍一號電機上推力瓦瓦間流到中間軸面速度分量來看，各瓦間流道的速度分布基本一致，來自油箱中的冷卻油從瓦間外端面進入流道，一部分冷油在靠近瓦間內緣處與來自上軸腔的熱油交匯，流速發生較大改變，存在較強的沖擊對流現象，交匯后的油流進入到瓦間上部區域。與“CPR1000”不同的是，“華龍一號”瓦間沒有油流從瓦間流道直接進入上部軸腔，從油箱進入到上推力瓦瓦間流道中的冷流全部被從內端面進入的油流阻塞，使內端面的熱油(包括上導瓦腔室流入的熱油)不能及時冷卻，造成上推力瓦溫度偏高。

3 主泵電機推力瓦溫度差異性分析

3.1 CPR1000電機上、下推力瓦溫度差異性分析

理論上主泵電機在空載或一回路低壓時，下推力瓦溫度應高于上推力瓦，但實際上有少數電機是上推力瓦溫度高于下推力瓦。對于這一差異性我們可以從機械、流體、測量這三方面進行分析，然后逐一排查找到可能原因，圖8為根據主泵電機的結構及功能分析出的可能因數。

圖8 上推力瓦溫度高可能因數

3.1.1 機械方面原因

當電機軸承間隙偏小或與推力頭產生卡澀時，在下推力瓦承載情況下，可能會引起上推力瓦溫度比下推力瓦高，因為軸承間隙偏小可能會造成上推力瓦某一塊或幾塊瓦與推力頭摩擦力增大，從而發熱大；上推軸承卡澀也會使上推力瓦與推力頭摩擦力增大而發熱大(注：主泵運行時推力頭不與推力瓦直接接觸，它們的摩擦介質為運行油；推力軸承能夠自動找平)。

從表1 CPR1000電機運行數據可以看出，冷試25 bar到68 bar上推力瓦溫度基本沒增加，超過68 bar后推力瓦溫度隨壓力升高而升高；若上推力軸承發生卡涉使上推力瓦不能向上移動，會造成上推溫升較大。查詢同一核島另外兩臺主泵電機上推力瓦溫升趨勢一致；且主泵電機軸承為成熟使用的金斯伯里軸承，能自動找平，造成軸承卡澀的幾率很微小，因此軸承卡涉造成上推溫升高可能性小。

查詢該CPR1000機組三臺主泵EOMM完工文件，推力軸承間隙分別為0.40、0.40、0.41 mm，三臺泵推力軸承間隙相當，排除軸承間隙偏小因數。

3.1.2 流體方面原因

上推力瓦測溫元件測的溫度實為測溫孔內綜合(混合)溫度，測溫孔內的溫度來源我們可以分為兩部分，一部分是上推力瓦本身的摩擦發熱，另一部分是通過φ3 mm小孔進入測溫孔的冷油、熱油混合。

上導瓦的冷卻潤滑油由黏滯泵上的兩個油管供應，上導瓦的熱油排出路徑主要分為兩個，一個是上導瓦蓋板上的12個孔，另一個是推力頭與上導軸承銅環0.5～0.55 mm環狀間隙。黏滯泵上的兩個油管總出油面積約為348 mm2，推力頭外圓與上推軸承間隙取值為0.5 mm時，整個環狀間隙面積約為710 mm2，大于兩進油管總面積，理論上黏滯泵上的兩個油管供應的油能夠完全從推力頭與上推軸承座銅環間隙流出。但由于電機高速旋轉產生離心力，阻礙了上導油室熱油向下傳動；當上導油室油灌滿后，推力頭離心力和黏滯泵供油壓力將使上導油室產生一定壓力，使上導油室更多的熱油能夠沿著推力頭向下，流到推力頭的上軸腔。流入推力頭上軸腔的上導熱油與上推力瓦摩擦產生的熱量綜合混合后進入上推力瓦φ3 mm進油孔，上推熱電偶測量溫度即是該綜合溫度，故上推力瓦測得的溫度比實際溫度略高。

另外，油冷卻器冷油管道與上部油室的底面距離約300 mm，略高于上推力頭；冷油管道進口與上、下推力瓦測溫瓦距離較接近，且冷油管道有一定傾角，冷油管道的傾角位置差異(油管道為人工焊接)會影響推力瓦測溫差異。當冷油進入軸承腔室后，冷油管角度偏差可能使更多的冷油進入下推力測溫瓦周邊或改變瓦間流道，使下推力瓦測得溫度偏低；從而使主泵電機上推力瓦溫度比下推力瓦高。

因此在主泵電機下推力瓦承載時，上導熱油流入推力頭上軸腔和冷油管道角度偏差的綜合因數是上推力瓦溫度比下推力瓦高(或接近)的可能原因。

查詢該CPR1000機組三臺主泵采用相同品牌潤滑油，因此可以基本排除流體介質差異引起上推溫度比下推高，該因數可能性較小。

3.1.3 測量原因

電廠工作人員在得知該CPR1000電機推力瓦溫度差異情況后，用就地溫度巡檢儀測量了上、下推力瓦溫度，數據與DCS系統測量的相當，因此可以排除測量誤差原因。

根據熱力學原理，測量對象與測量設備的位置關系與最終測量溫度呈反比例關系，即測溫元件離測溫對象距離越遠，測量的溫度越低；反之越近則溫度越高。

然而核電主泵(華龍一號和CPR1000)推力瓦熱電偶裝配目前采用Framatome最新技術，在測溫探頭臺階部位套有一個絕緣套管，測溫探頭套上絕緣套管后直接插入推力瓦測溫孔，這可以保證4件測溫探頭在上、下推力瓦測溫孔的插入深度一致性以及探頭不會與推力瓦測溫孔壁接觸(見圖9)，因此探頭裝配偏差可能因數較小。

圖9 測溫探頭裝配示意圖

綜上，流體介質的流道差異可能是CPR1000主泵電機空載或一回路低壓狀態下，產生上推力瓦溫度比下推力瓦高(或接近)的原因。

3.2 CPR1000主泵電機與華龍一號主泵電機推力瓦溫度差異

CPR1000主泵電機空載時有少部分電機上推力瓦溫度比下推力瓦高，而華龍一號電機在空載時上推力瓦溫度均比下推力瓦高，且與上導瓦溫度較接近；造成這一差異的根本原因是華龍電機推力瓦的結構設計差異。它的推力瓦兩側邊沒有像CPR1000推力瓦那樣有深為6 mm凹槽，而該凹槽功能有導流作用。沒有6 mm凹槽會使油箱進入到上推力瓦瓦間流道中的冷流全部被從內端面進入的油流阻塞(見圖10)，使內端面的熱油不能及時冷卻，造成上推力瓦溫度偏高，從而造成上推力瓦溫度均比下推力瓦高。

圖10 介質流程示意圖

4 結論

核電主泵電機推力瓦溫度差異主要是由于流體方面的介質流道影響，以及新一代華龍一號主泵推力瓦的結構設計不同產生。隨著我國核電站的建設規模越來越大、建設速度越來越快，CPR1000主泵國產化已進入尾聲，新產品華龍一號已穩步進行；主泵電機制造、安裝技術亦日益完善。由于我國在主泵設計制造方面的起步較晚，特別是對于主泵軸承的設計制造及應用經驗較少，機組在實際運行監控中偶爾會遇到一些難以理解的困難，我們可從基本結構、功能入手分析，多方面、多角度的思考，只要原因分析正確、思路對位，問題便會迎刃而解。