核電廠循環(huán)水泵電機滑動軸承特性分析與優(yōu)化研究

鄧龍杰，鄭佳強，齊 軍，胡 彪，方奇術(shù)，喬彥龍，修振野

核電廠循環(huán)水泵電機滑動軸承特性分析與優(yōu)化研究

鄧龍杰1，鄭佳強1，齊 軍1，胡 彪1，方奇術(shù)2，喬彥龍2，修振野2

（1. 山東核電有限公司，山東 海陽 265116；2. 國家電投集團電站運營技術(shù)（北京）有限公司，北京 112209）

循環(huán)水泵是核電廠三回路循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的關(guān)鍵設備，直接關(guān)系到核電廠冷卻水的順利輸送，進而影響核電廠安全、可靠和經(jīng)濟運行。該循環(huán)水泵電機滑動軸承具有低轉(zhuǎn)速（197 r/min）、大比壓（4.26 MPa）的技術(shù)特點，針對軸承在額定工況、超速工況進行潤滑計算，分析不同工況下油膜厚度、油膜溫度情況，根據(jù)計算結(jié)果對軸承結(jié)構(gòu)及材料進行優(yōu)化設計與分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后額定工況推力軸承油膜厚度提升至0.016 mm，安全裕量增大。

循環(huán)水泵電機；滑動軸承；潤滑計算

滑動軸承結(jié)構(gòu)簡單，承載能力強，具有良好的抗振性能以及更長的工作壽命，在各種類型旋轉(zhuǎn)機械中得到廣泛應用。某三代先進壓水堆核電廠單機組海水循環(huán)冷卻水系統(tǒng)布置有三臺循環(huán)水泵，為核電廠提供最終熱阱，循環(huán)水泵電機上下軸承采用滑動軸承，作為電機的重要組成部分，要承擔電機轉(zhuǎn)子，泵轉(zhuǎn)子、水推力等載荷，對電機的轉(zhuǎn)子動力學特性、電機壽命、可靠性等產(chǎn)生重要影響。針對滑動軸承的潤滑特性和結(jié)構(gòu)分析和研究很多。史慶峰等[1]針對推力軸承可傾瓦進行了油膜失穩(wěn)引起的自激振動機理分析，仲維濱等[2]利用流體動壓潤滑理論研究不同轉(zhuǎn)速下油膜厚度和油膜剛度的變化，陳志瀾等[3]運用三維熱彈流潤滑性能分析軟件計算了不同瓦面形狀的推力軸承的油膜厚度、油膜壓力和油膜溫度，并提出優(yōu)化有結(jié)果，李元生等[4]，李強等[5]分別利用滑動軸承動力特性系數(shù)動態(tài)方法和變流域動網(wǎng)格計算方法對滑動軸承的動力特性進行分析計算。本文對國內(nèi)某三代核電站海水循環(huán)水泵電機滑動軸承特性進行了分析，并對軸承結(jié)構(gòu)及材料進行了優(yōu)化研究，提高軸承運行可靠性，制定了軸承可靠性試驗驗證方案及臺架設計。

1　軸承結(jié)構(gòu)特點

循環(huán)水泵電機所用的軸承分為“上推力徑向復合軸承”和“下導向滑動軸承”，電機結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，軸承主要作為滑動約束，支撐轉(zhuǎn)子軸系在電機的磁場中保持高效轉(zhuǎn)動。

圖1　循環(huán)水泵電機軸承布置示意圖

上推力徑向復合軸承是立式推力導向聯(lián)合軸承，主要結(jié)構(gòu)包括推力頭、推力瓦、冷卻管、導瓦、擋油套管、底座等。軸瓦采用扇形瓦、可傾瓦式設計，推力瓦背面為線支撐，可以在運轉(zhuǎn)時自動傾斜，使瓦塊表面與推力盤平面之間建立動壓油膜。其主要作用是通過推力頭將軸向力傳導到推力瓦塊，主要部件材質(zhì)如表1所示。

下導向滑動軸承的作用是連接旋轉(zhuǎn)主軸，將徑向力傳導到導瓦塊；導瓦提供徑向支撐，保證軸系的徑向竄動在磁隙允許偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。徑向負載由澆鑄巴氏合金的可傾瓦支撐，支撐結(jié)構(gòu)為線支撐。下導向滑動軸承主要零部件材料如表2所示。

軸承基本運行參數(shù)如表3所示。

表2　立式導向滑動軸承材料

續(xù)表

序號名稱材質(zhì) 6擋油筒鋼 7兜板鋁合金 8導瓦固定塊鋼 9導瓦鋼 + 巴氏合金 10肩擋鋁合金 11防塵密封毛氈 12刷子密封鋁合金 + 塑料

表3　軸承基本運行參數(shù)

2　軸承運行特性分析

循環(huán)水泵電機軸承運行工況如表4所示，在額定工況下，轉(zhuǎn)速較低（197 r/min）、比壓大（4.26 MPa），屬于低速重載，此種工況下具有在軸承應用上有著動壓油膜薄，油膜局部溫度高的特點，油膜處于允許運行標準的邊緣狀態(tài)，所以此軸承的安全運行是保障電機可靠性的關(guān)鍵問題。

表4　軸承運行工況參數(shù)

續(xù)表

上推力導向滑動軸承工況下導向滑動軸承工況 額定轉(zhuǎn)速/（r/min）197超速轉(zhuǎn)速/（r/min）246 超速轉(zhuǎn)速/（r/min）246徑向面積/mm246 000 推力載荷/kN357徑向比壓/MPa0.1 正常連續(xù)推力載荷/kN820功耗/kW0.4 反轉(zhuǎn)推力載荷/kN970 推力面積/mm2185 344 正常比壓/MPa4.26 徑向載荷/kN4.7 徑向面積/mm274 375 徑向比壓/MPa0.063 功耗/kW5.4

通過軸承專用計算軟件DLAP對軸承各工況（額定工況、超速工況）下軸承的壓力場、油膜場、溫度場、油膜剛度、阻尼等進行計算分析，計算結(jié)果應保證油膜厚度不小于最小油膜厚度，最高油溫低于許用溫度，計算過程如圖2所示。

圖2　軸承潤滑計算流程

Fig.2 The bearing lubrication calculation process

針對軸承運行和工況參數(shù)，在額定工況、超速工況下滑動軸承軸瓦潤滑的計算結(jié)果如圖3、圖4所示，相關(guān)計算數(shù)值如表5所示。

由表5看出上下軸承在額定、超速工況下，可在允許范圍內(nèi)安全運轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速越高油膜越厚。根據(jù)RENK使用手冊許用溫度為110 ℃和許用油膜厚度為0.012 mm，上、下導瓦油膜溫度小于許用值，其安全裕度較大；推力瓦的溫度遠低于許用值，但油膜厚度在額定轉(zhuǎn)速下已處于設計準則的邊界，安全裕度較小。

圖3　額定工況下軸承潤滑計算結(jié)果

圖4　超速工況下軸承潤滑計算結(jié)果

表5　軸承潤滑計算結(jié)果

續(xù)表

額定工況超速工況 上部推力軸承 最小油膜厚度/mm0.0120.013 軸承損耗/kW4.426.36 油膜溫度/℃5051.2 總損耗/kW5.858.55 下部徑向軸承 最小油膜厚度/mm0.0580.058

續(xù)表

額定工況超速工況 功耗/kW0.3920.392 油膜溫度/℃53.753.7 總損耗/kW0.4920.592

從以上計算結(jié)果來看，該型滑動軸承在低速重載工況下有動壓油膜薄，油膜局部溫度高的特點，油膜處于允許運行標準的邊緣狀態(tài)，此軸承的安全運行是需要考慮的關(guān)鍵問題。

3　軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

針對推力軸承運行裕度不高的情況，對推力軸承結(jié)構(gòu)及材料進行設計優(yōu)化及選材優(yōu)化，以提高軸承運行的安全性和可靠性。

3.1　推力軸承結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化

目前中、大型立式電機推力軸承，一般采用可傾推力瓦，按照支點形式劃分，分為“點支撐”“線支撐”，按支撐形式劃分，又可分為“剛性支撐”“彈性支撐”兩種，根據(jù)線型剛性支撐瓦塊計算結(jié)果，在結(jié)構(gòu)設計上將支撐結(jié)構(gòu)由線型剛性支撐改為彈性支撐，并對瓦塊的支點及尺寸做出調(diào)整，如圖5所示。

圖5　彈性支撐推力瓦

另外改善軸承的低速性能，將瓦面材料改進為“PTFE”材質(zhì)，此材質(zhì)制造的推力瓦塊有著耐受低速重載的特性[6]，其最大靜摩擦系數(shù)為0.15而合金瓦塊的最大靜摩擦系數(shù)為0.29[7]，在節(jié)能的同時增加安全裕度，另外在軸承瓦面可以采用“微結(jié)構(gòu)塑形”的方法，增加瓦面在薄油膜的儲油能力，以提高軸承的安全性及可靠性。

根據(jù)優(yōu)化后的瓦塊進行潤滑計算，額定工況、超速工況下的，計算結(jié)果分別如圖6、圖7所示。相關(guān)計算數(shù)值如表6所示。

圖6　優(yōu)化后軸承額定工況計算結(jié)果

圖7　優(yōu)化后軸承超速工況計算結(jié)果

表6　優(yōu)化后軸承潤滑計算結(jié)果

從計算結(jié)果上，在額定工況、超速工況下，優(yōu)化后推力瓦油膜厚度更厚，其瓦溫更低，功耗略有提升，但可靠性有所提升。

3.2　軸承支撐部件材料優(yōu)化

根據(jù)實際應用經(jīng)驗，進行軸承主要支撐部件材料的優(yōu)化，并對主要零部件的受力進行分析計算。

上導瓦受力分析如圖8所示，其主要承擔上推力徑向復合軸承運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的4.7 kN徑向力，導瓦主體材料選用20鋼。

推力瓦受力分析如圖9所示，其主要承擔上推力徑向復合軸承運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的最大121.3 kN軸向力，推力瓦軸瓦主體材料為20鋼。

推力頭受力分析如圖10所示，其主要承擔上推力徑向復合軸承運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的最大970 kN軸向力，軸瓦主體材料為35鋼。

滑轉(zhuǎn)子受力分析如圖11所示，其主要承擔下部導向軸承運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的4.7 kN徑向力，軸瓦主體材料為35鋼。

圖8　上軸承導瓦

圖9　上軸承推力瓦

圖10　上軸承推力頭

圖11　下軸承滑轉(zhuǎn)子

計算結(jié)果如表7所示。通過應力分析計算，主要的軸承承載零部件在承受載荷下，其最大應力小于材料許用應力，滿足強度要求。

表7　軸承承載部件受力分析結(jié)果

4　軸承可靠性試驗驗證方案

軸承可靠性試驗驗證需要做三次試驗，試驗內(nèi)容如表8所示。其額定工況、超速工況、反轉(zhuǎn)工況最大載荷為970 kN，需要采用大載荷的加載器，采用先轉(zhuǎn)動，到達目標轉(zhuǎn)速后底部加載的方式，試驗臺示意圖如圖12所示。

表8　軸承可靠性試驗內(nèi)容

圖12　轉(zhuǎn)速-載荷試驗臺

耐久啟停試驗，在啟動時轉(zhuǎn)軸加速度需要模擬電機的“啟動曲線”，其啟動力矩加大，轉(zhuǎn)速低，需要配備減速箱對驅(qū)動電機降轉(zhuǎn)速，提升啟動力矩的方法啟動，并且最大啟動力矩為22 900 N·m（357 kN時），采用降低一半的瓦塊數(shù)，保證同樣的啟動比壓來進行試驗，試驗臺示意圖如圖13所示。

圖13　耐久啟停試驗臺

5　結(jié)論與建議

通過分析某核電廠海水循環(huán)泵電機軸承結(jié)構(gòu)特點、運行參數(shù)，通過潤滑計算、對軸瓦進行潤滑特性分析，并針對運行可靠性，進行了結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化。

（1）軸承在額定工況、超速工況下，軸承上、下導瓦的油膜厚度和油膜溫度能夠滿足許可條件，且安全裕度較大，推力瓦的最小油膜厚度在設計準則下限，安全裕度不大。

（2）對軸承推力瓦、導瓦進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，由“線型剛性支撐”改為“彈性支撐”，瓦面材料改進為“PTFE”材質(zhì)，并對瓦塊的支點及尺寸作出調(diào)整，經(jīng)過計算，優(yōu)化后推力瓦瓦塊油膜厚度增加，可靠性提升。

（3）根據(jù)實際應用經(jīng)驗，對軸承支撐零部件主體材質(zhì)進行優(yōu)化，并通過受力計算，優(yōu)化后材質(zhì)能夠滿足要求。

（4）優(yōu)化后軸承試驗驗證方案需要進行三種工況運行試驗，以驗證其能夠滿足軸承可靠性試驗要求。

［1］ 史慶峰. 大型核電汽輪機推力軸承油膜失穩(wěn)振動研究［J］. 動力工程學報，2019，39（06）：512-516.

［2］ 仲維，李藏雪，王偉光，等. 核電站海水循環(huán)水泵電機推力軸承研究［J］. 黑龍江大學工程學報，2017，8（4）. DOI：10.13524/j.2095-008x.2017.04.060.

［3］ 陳志瀾，袁小陽，王海林，等. 推力軸承瓦面形面對潤滑性能影響的研究［J］. 摩擦學學報，2003，23（1）：56-59.

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［5］ 李強，許偉偉，王振波，等. 滑動軸承動力特性的數(shù)值計算方法［J］. 中國石油大學學報（自然科學版），2014，38（5）：165-171.

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［7］ 黃彧，王文東，黃煒，等. 聚四氟乙烯在滑動軸承中的應用［J］. 有機氟工業(yè)，2020（4）：47-5.

Characteristic Analysis and Optimization Study on the Sliding Bearing of the Circulating Water Pump Motor in Nuclear Power Plant

DENG Longjie1，ZHENG Jiaqiang1，QI Jun1，HU Biao1，F(xiàn)ANG Qishu2，QIAO Yanlong2，XIU Zhenye2

（1. Shandong Nuclear Power Co，Ltd，Yantai of Shandong Prov. 265116，China；2. SPIC Power Station Operation Technology（Beijing）Co.，Ltd，Beijing 112209，China）

Thecirculating water pump is the key equipment in the three-loop circulating cooling water system of nuclear power plant. It is directly related to the smooth transmission of cooling water in nuclear power plant, and then affects the safety, reliable and economic operation of nuclear power plant. The sliding bearing of the circulating water pump motor has the technical characteristics of low speed (197 r/min) and high specific pressure (4.26 MPa). Lubrication calculations are carried out for the bearing under rated and overspeed conditions, and the oil film thickness and oil film temperature under different working conditions are analyzed. The results show that after the structure is optimized, the oil film thickness of the thrust bearing under the rated working condition is increased to 0.016 mm, and the safety margin is increased.

Circulating water pump motor; Plain bearing; Lubrication calculation

TL48

A

0258-0918（2023）05-1041-08

2022-08-01

鄧龍杰（1988—），男，湖北襄陽人，學士，現(xiàn)主要從事核電廠轉(zhuǎn)機類設備維護管理工作及相關(guān)優(yōu)化研究