CN103542036A - 脱开式核电站主泵飞轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脱开式核电站主泵飞轮，其包括：圆盘，中心设置阶梯孔，阶梯孔包括位于圆盘顶端的上端孔，位于圆盘底端的下端孔和位于上、下端孔之间的装配孔，上端孔直径、装配孔平均直径、下端孔直径依次递增；转动轴，包括轴头、上轴环和下轴环，轴头与圆盘的装配孔过盈配合，上轴环和下轴环分别与圆盘的上端孔和下端孔间隙配合；上摩擦副和下摩擦副，分布在轴头两端的轴肩上，并在装配孔和轴头脱离过盈配合时承接圆盘。本发明脱开式核电站主泵飞轮中，转动轴和圆盘均采用整体式设计，圆盘与转动轴直接过盈配合连接，结构简单，有利于模块化设计。

Description

脱开式核电站主泵飞轮
技术领域
本发明属于核电技术领域，更具体地说，本发明涉及一种可应用于百万千瓦级压水堆核电站中的脱开式核电站主泵飞轮。
背景技术
反应堆冷却剂泵(简称“主泵”)是压水堆核电站一回路系统的关键设备之一，主泵的可靠运转能确保核电站连续安全运行。当核电站发生全厂断电事故时，由于主泵失去电源而发生惰转，通过堆芯的冷却剂流量突然减少，给反应堆的安全带来威胁。为了确保全厂断电工况下堆芯的安全，主泵要求具有较长的惰转时间。飞轮是一种有效的储能手段，通过在主泵上设置飞轮，可有效提高主泵的转动惯量，延长主泵的惰转时间。
现有的核电站中，飞轮一般安装在主泵电机上。飞轮结构不同，其安装位置也不尽相同，有的安装在电机上端，有的安装在电机的下端。由于飞轮在运行过程中，其储存的能量较高，主泵机组在运行过程中存在超速运行的工况，转速的升高增加了飞轮的动能，增加了飞轮破裂的可能性。如果飞轮发生破裂将产生高能飞射物，容易造成反应堆冷却剂系统、安全壳和对安全具有重要作用的其他系统、设备损坏，产生严重后果。因此，飞轮的完整性对于核电站的安全运行至关重要。
根据飞轮与电机轴的连接方式，可将现有的核电站主泵飞轮分为键连接结构、脱落式结构和油润滑脱开式三种结构。键连接结构的主泵飞轮通过键与电机轴连接，主泵飞轮的圆盘上设置有键槽，增加了飞轮圆盘发生破裂的风险。脱落式结构的主泵飞轮需在飞轮下方的电机机架上设置承接面，接口关系复杂，且主泵飞轮脱落时对电机架产生较大冲击。
图1所示为一种现有油润滑脱开式飞轮，其包括圆盘1’、滚动体2’和衬套7’三部分，电机轴5’与衬套7’通过键6’连接，圆盘1’与衬套7’过盈配合连接。飞轮安装在电机轴的下端，利用上挡块3’、下挡块8’和轴向定位件4’进行轴向定位。在主泵正常运行情况下，圆盘1’与衬套7’过盈配合，依靠接触面的摩擦力矩传递扭矩。在超速工况下，圆盘1’在离心力作用下，与衬套7’配合面上的紧力逐渐减少，最终导致圆盘1’与衬套7’分离，圆盘1’下落并倚靠在衬套7’的两列滚动体2’上，形成滚动摩擦，圆盘1’继续空转直至转速降低至静止状态。飞轮衬套7’的四周，留有滚动体2’与圆盘1’对中间隙。圆盘1’在消耗自身重量惯性下，以不高于某一速度的情况下自由转速转动。
但是，上述油润滑脱开式飞轮的构件较多，与电机轴的连接关系复杂，对飞轮的精度要求高，需要对润滑油进行定期更换、维修成本高，润滑油存在泄漏的风险，可能会影响主泵机组的安全。
有鉴于此，确有必要提供一种新型脱开式核电站主泵飞轮。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷，提供一种结构简单的脱开式核电站主泵飞轮。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种脱开式核电站主泵飞轮，其包括：圆盘，中心设置阶梯孔，阶梯孔包括位于圆盘顶端的上端孔、位于圆盘底端的下端孔和位于二者之间的装配孔，上端孔直径、装配孔平均直径、下端孔直径依次递增；转动轴，包括轴头、上轴环和下轴环，轴头与圆盘装配孔过盈配合，上轴环和下轴环分别与圆盘的上端孔和下端孔间隙配合；上摩擦副和下摩擦副，分布在轴头两端的轴肩上，并在装配孔和轴头脱离过盈配合时承接圆盘。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述轴头和装配孔分别具有倒圆锥形的外表面和倒圆锥形的内表面。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述上端孔和下端孔均具有柱形内表面，上轴环和下轴环均具有柱形外表面。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述轴头两端的轴肩分别设置有承接所述上摩擦副和下摩擦副的凹形上滚道和下滚道。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述上摩擦副和下摩擦副均包括多个滚动体和承载滚动体的保持架。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述滚动体由氮化硅陶瓷材料制成。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述保持架由聚醚醚酮材料制成。
作为本发明脱开式核电站主泵飞轮的一种改进，所述脱开式核电站主泵飞轮转动轴与电机轴刚性连接。
相对于现有技术，本发明脱开式核电站主泵飞轮具有以下优点：
1)转动轴和圆盘均采用整体式设计，圆盘与转动轴直接过盈配合连接，结构简单，有利于模块化设计。正常工况下圆盘与转动轴一起转动，在超速工况下，圆盘在离心力的作用下将会发生变形，致使圆盘的内径变大，其变形量超过设计的过盈量，圆盘与转动轴分开并与上摩擦副和下摩擦副的滚动体接触，进而使圆盘的转速逐渐降低。
2)飞轮轴作为电机轴的一部分，与电机轴通过刚性连接，简化飞轮的制造、安装、检修与维护。
3)滚动体和保持架均选择具有自润滑性能且耐高温的材料，无需设置润滑油及其配套的辅助系统。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式，对本发明脱开式核电站主泵飞轮及其有益效果进行详细说明，其中：
图1是现有油润滑脱开式飞轮的结构示意图。
图2是本发明脱开式核电站主泵飞轮的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及其有益技术效果更加清晰，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明。
请参阅图2所示，本发明脱开式核电站主泵飞轮包括：圆盘1、转动轴2、上摩擦副3、下摩擦副4。
圆盘1和转动轴2均为整体式锻件。圆盘1的中心设置阶梯孔10，阶梯孔10包括位于圆盘1顶端的上端孔11、位于圆盘1底端的下端孔12和位于上端孔11、下端孔12之间的装配孔13，上端孔11的直径、装配孔13的平均直径和下端孔12的直径依次递增。
转动轴2包括轴头23、上轴环21和下轴环22，转动轴2的轴头23具有倒圆锥形的外表面，圆盘1的装配孔13具有倒圆锥形的内表面。上轴环21和下轴环22具有圆柱形的外表面，上端孔11和下端孔12具有圆柱形的内表面。轴头23与装配孔13过盈配合，上轴环21和下轴环22分别与上端孔11和下端孔12间隙配合。
轴头23两端的轴肩(未标示)分别设置有承接上摩擦副3和下摩擦副4的凹形上滚道(未标示)和下滚道(未标示)。上摩擦副3和下摩擦副4均包括多个滚动体(未标示)和承载滚动体的保持架(未标示)。根据本发明的一个优选实施方式，滚动体采用氮化硅陶瓷球，氮化硅陶瓷球作为滚动体具有自润滑、寿命长和耐磨损等优点。陶瓷材料的磨擦系数低，在无润滑油的情况下，润滑能力也不低于在传统润滑剂作用下的钢轴承。此外，混合陶瓷轴承寿命较全钢轴承寿命高3～5倍左右。保持架优选PEEK(polyether ether ketones，聚醚醚酮)材料，PEEK材料作为保持架具有自润滑、耐磨损和耐高温等优点。
转动轴2为电机轴的一部分，即将电机轴分为上、下两部分，转动轴2通过联轴器(未标示)与电机轴的另一部分相连接。
本发明脱开式核电站主泵飞轮使用过程中包括以下四种状态：
(1)静态配合状态：此时，圆盘1和转动轴2均处于静止状态，主泵飞轮的各组成元件受边界条件影响，在接触面产生装配压力。
(2)正常工作状态：主泵飞轮正常工作时，圆盘1的装配孔13和转动轴2的轴头23保持过盈配合的密合状态，不允许发生滑移和脱开。随着转速的升高，装配压力因离心作用而减弱，静摩擦起到阻止圆盘1下滑的作用。
(3)125%额定转速状态：此为核电站设计超速、飞轮稳态运行的上限转速，主泵飞轮的圆盘1和转动轴2的配合要求与正常转速相同。
(4)160%额定转速状态：圆盘转速的升高使得圆盘1与转动轴2之间的装配压力降低，二者的接触面所能提供的最大静摩擦力也随之降低，圆盘1的重力克服静摩擦力作用，圆盘1与转动轴2的配合面发生滑移，进而导致圆盘1下降并与上摩擦副3和下摩擦副4的滚动体接触。圆盘1与滚动体接触后形成滚动摩擦，圆盘1在消耗自身重量惯性下，以不高于某一速度的情况下自由转速转动，从而起到超速保护的作用。
结合以上对本发明实施方式的详细描述可以看出，相对于现有技术，本发明脱开式核电站主泵飞轮具有以下优点：
转动轴2和圆盘1均采用整体式设计，圆盘1与转动轴2直接过盈配合连接，结构简单，有利于模块化设计。正常工况下二者一起转动，在超速工况下，圆盘1在离心力的作用下将会发生变形，致使圆盘1的内径变大，其变形量超过设计的过盈量，圆盘1与转动轴2分开并与上摩擦副3和下摩擦副4的滚动体接触，使圆盘1的转速逐渐降低。
飞轮轴作为电机轴的一部分，与电机轴通过刚性连接，简化飞轮的制造、安装、检修与维护。
滚动体和保持架均选择具有自润滑性能且耐高温的材料，无需设置润滑油及其配套的辅助系统。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述脱开式核电站主泵飞轮包括：
圆盘，中心设置阶梯孔，阶梯孔包括位于圆盘顶端的上端孔、位于圆盘底端的下端孔和位于上、下端孔之间的装配孔部，上端孔直径、装配孔平均直径、下端孔直径依次递增；
转动轴，包括轴头、上轴环和下轴环，轴头与圆盘的装配孔过盈配合，上轴环和下轴环分别与圆盘的上端孔和下端孔间隙配合；
上摩擦副和下摩擦副，分布在轴头两端的轴肩上，并在装配孔和轴头脱离过盈配合时承接圆盘。
2.根据权利要求1所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述轴头和所述装配孔分别具有倒圆锥形的外表面和倒圆锥形的内表面。
3.根据权利要求2所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述上端孔和下端孔均具有柱形内表面，所述上轴环和所述下轴环均具有柱形外表面。
4.根据权利要求1所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述轴头两端的轴肩分别设置有承接所述上摩擦副和所述下摩擦副的凹形上滚道和下滚道。
5.根据权利要求1所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述上摩擦副和下摩擦副均包括多个滚动体和承载滚动体的保持架。
6.根据权利要求5所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述滚动体由氮化硅陶瓷材料制成。
7.根据权利要求5所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述保持架由聚醚醚酮材料制成。
8.根据权利要求1所述的脱开式核电站主泵飞轮，其特征在于，所述转动轴与电机轴通过刚性联轴器连接。
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