CN104373371A - 一种陶瓷轴承及配置有陶瓷轴承的核电泵 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶瓷轴承及配置有陶瓷轴承的核电泵；所述陶瓷轴承中包含：作为转动部件的金属轴套和陶瓷轴套，所述陶瓷轴套环绕于金属轴套的外侧；作为固定部件的陶瓷外圈和金属壳体，并且使所述金属壳体设置于陶瓷外圈的外侧，而该陶瓷外圈的内侧与所述陶瓷轴套的外侧相对应；其中，所述金属轴套在其内侧设置有若干个空心环状结构；所述陶瓷轴套或陶瓷外圈中嵌入有碳素纤维。本发明的陶瓷轴套可以同时满足耐干磨、耐热冲击和耐杂质的技术要求，满足核电泵运行及事故工况时的严苛要求。

Description

一种陶瓷轴承及配置有陶瓷轴承的核电泵

技术领域

本发明涉及一种轴承，特别涉及一种耐高温、耐热冲击、耐杂质介质润滑的陶瓷轴承，适用于压水堆核电站核安全2、3级泵领域。本发明还涉及一种配置有陶瓷轴承的核电泵。

背景技术

现有核2、3级泵用的介质润滑导轴承，多采用工程热塑料或金属材料喷涂镍基。其中，工程热塑料导轴承具有较高的耐高温耐干磨特性，并且具有较好的耐腐蚀、耐辐照特性，但要求介质纯净无杂质。金属喷涂镍基层材料的导轴承具有良好的耐杂质特性、耐辐照特性，但耐高温和耐干磨特性不理想，容易导致配用轴套的磨损、烧结。

对于耐热冲击特性，主要考虑材料的热膨胀系数、垂直许用应力和结构设计中的配合尺寸，其中工程热塑料的热膨胀系数较小、结构设计中的配合尺寸容易控制，但许用应力值较小。对于金属喷涂镍基材料许用应力高，但热膨胀系数大，结构设计中的各工况的介质润滑和间隙设计很难平衡。

核2、3级泵用介质润滑导轴承若在实际运行过程中出现磨损后损坏，将导致设备的振动、噪音、轴承温度升高，不能满足现行运行要求，并且很难通过更换轴承以外的其他方式进行修复使用。核电厂各设备的设计寿命及更换周期有着严格的控制，无法在规定以外的时间进行更换，因此导轴承的异常将直接影响核电站运行的效率和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷轴承，解决原介质润滑的导轴承设计中无法同时满足耐干磨、耐热冲击和耐杂质的技术要求的问题。本发明的目的还在于提供一种配置有陶瓷轴承的核电泵。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种陶瓷轴承，其中包含：

作为转动部件的金属轴套和陶瓷轴套，所述陶瓷轴套环绕于金属轴套的外侧；

作为固定部件的陶瓷外圈和金属壳体，并且使所述金属壳体设置于陶瓷外圈的外侧，而该陶瓷外圈的内侧与所述陶瓷轴套的外侧相对应；

其中，所述金属轴套在其内侧设置有若干个空心环状结构，所述空心环状结构是在金属轴套的内侧开口并向金属轴套的外侧凹入的形状。

优选地，若干所述空心环状结构相互间隔地布置在金属轴套内侧，且与所述陶瓷轴套在金属轴套轴向所处的位置相对应；

所述陶瓷外圈及金属壳体的设置位置，与所述陶瓷轴套在金属轴套轴向所处的位置相对应。

优选地，所述金属轴套在空心环状结构处的最小壁厚为2.5mm。

优选地，所述陶瓷轴套或陶瓷外圈的基体材料为碳化硅，并且在所述陶瓷轴套或陶瓷外圈中嵌入有碳素纤维。

优选地，所述碳素纤维沿陶瓷轴套或陶瓷外圈的轴向或圆周方向分别嵌入，或者，所述碳素纤维沿陶瓷轴套或陶瓷外圈的轴向和圆周方向同时嵌入形成网格。

优选地，所述碳素纤维的网格的边长为1.7mm-3mm。

优选地，所述金属轴套和金属壳体由奥氏体不锈钢制成。

优选地，所述金属轴套和陶瓷轴套通过过盈配合装配；

所述陶瓷外圈和金属壳体通过过盈配合装配。

本发明的另一个技术方案是提供一种核电泵，其中，带有进口管和出口管的进出水壳体连接于筒体上方；第一机械密封件的下部穿过进出水壳体后布置于筒体内，用以安装叶轮/导叶；在泵轴的上轴段穿过进出水壳体、叶轮/导叶后与第一机械密封件下部接触的位置，设置有所述的陶瓷轴承；

所述筒体内的直管连接在第一机械密封件的下方，第二机械密封件连接在该直管下方；所述泵轴的下段穿过第二机械密封件中设置的双吸叶轮；该泵轴的下段在穿入双吸叶轮之前和穿过双吸叶轮之后与该第二机械密封件接触的位置，也分别设置有所述的陶瓷轴承。

与现有技术相比，本发明提供的陶瓷轴承，其优点在于：陶瓷轴套和陶瓷外圈以陶瓷材料制成，可耐极高温度，因此在短时干磨状态启动也不会产生任何烧结现象；金属轴套的特殊空心环状结构设计，和陶瓷轴套和陶瓷外圈上碳素纤维网格的嵌入结构，和陶瓷轴承部件的整体结构设计充分考虑热冲击工况，陶瓷轴承硬度极高具有良好的耐杂质工况，该陶瓷轴承可以经受热冲击试验及杂质试验，满足核电站各种事故工况的苛刻要求。

附图说明

图1是本发明所述陶瓷轴承的总体结构俯视示意图；

图2是本发明所述陶瓷轴承的结构剖视示意图；

图3是本发明中金属轴套和陶瓷轴套装配结构的示意图；

图4是本发明中金属轴套的结构剖视示意图；

图5是本发明所述陶瓷轴承的热冲击试验温升曲线；

图6是本发明所述陶瓷轴承的热冲击试验振动指标记录图；

图7是安装有本发明所述陶瓷轴承的核电泵的结构示意图；

图8是传统的金属轴套的结构剖视示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明提供的陶瓷轴承，涉及四个主要零件，其中转动部件为金属轴套10和陶瓷轴套20，两者通过过盈配合安装；固定部件为陶瓷外圈30和金属壳体40，两者同样通过过盈配合装配。

如图3所示，所述陶瓷轴套20环绕于金属轴套10的外侧，并大致处在金属轴套10轴向的中间位置，即所述金属轴套10的顶部和底部分别延伸超过该陶瓷轴套20的顶部和底部。所述陶瓷外圈30及金属壳体40的位置，与所述陶瓷轴套20所在的轴向位置相对应；使所述金属壳体40设置于陶瓷外圈30的外侧，该陶瓷外圈30的内侧与所述陶瓷轴套20的外侧相对应。

不同于传统金属轴套10’的圆筒式结构（图8），本发明在图4中所示的金属轴套10在其内侧设置有若干个空心环状结构11，即形成一种在金属轴套10的内侧开口并向其外侧凹入的形状。所述若干空心环状结构11在设计中主要考虑在金属轴套10上轴向定位，使若干空心环状结构11相互间隔地布置在与陶瓷轴套20所在相对应的轴向位置（两者分别位于金属轴套10的内外两侧）。优选地，金属轴套10在空心环状结构11处的最小壁厚b为2.5mm。在热冲击工况时，常规轴套的壁厚大于本发明的金属轴套10的壁厚，当介质温度在10S内由7℃升高到120℃时，薄壁轴套沿壁厚方向的温度梯度小，产生的应力小，同时金属轴套10的变形量小，从而在热冲击工况时可以有效地保证动静零件之间的间隙。

本发明中所述金属轴套10和金属壳体40为奥氏体不锈钢。所述陶瓷轴套20和陶瓷外圈30的材料为陶瓷和碳素纤维21，其具有耐高温的特性。所述陶瓷轴套20的基体材料为碳化硅SiC，为避免陶瓷脆性的缺点，在陶瓷轴套20中增加有碳素纤维21以提高抗震特性。

所述碳素纤维21可沿陶瓷轴套20的轴向嵌入，也可沿圆周方向嵌入，但以上两种形式均只能改善单方向的韧性，因此本发明中更优选的是将碳素纤维21采用网格形式，分别在轴向及圆周方向均嵌入陶瓷轴套20。具体根据金属轴套10的内径尺寸确定网格密度，本例中的陶瓷轴套20的网格边长a为1.7mm-3mm。可以类似地在陶瓷外圈30处也嵌入设置网格状的碳素纤维。所述陶瓷轴承可以同时满足核电站各种事故工况的苛刻要求，如耐高温、无润滑干磨启动、介质温度由7℃在10S内迅速上升至120℃的热冲击、地坑吸水的含杂质运行等。

表1陶瓷轴承杂质试验前后尺寸数据

热冲击试验温升曲线如图5所示，其中横坐标表示时间，纵坐标表示温度，该曲线表示热冲击试验时介质温度在5S内由7℃上升至120℃。在热冲击工况，热冲击试验振动记录如图6所示，横坐标表示整个热冲击试验的时间，纵坐标表示振动值，该曲线标明试验测量值最大为1.25mm/s，正常运行考核值为2.8mm/s，因此在整个热冲击试验过程中振动指标均满足考核要求，说明本发明的轴承在热冲击工况时能较好的承受径向载荷并使设备有稳定的运行。热冲击试验后拆检，本发明的陶瓷轴承目视无损坏、无不允许磨痕，液体渗透检查后无缺陷。所述陶瓷轴承经过了杂质试验，试验前后尺寸数据如上表1所示。

如图7所示，一个应用本发明所述陶瓷轴承的核电泵的示例中，设置有一泵轴60，其穿过第一机械密封件52、进出水壳体53、筒体50内的直管57及第二机械密封件58。具体地，该泵轴60穿过了第一机械密封件52内上部设置的推力轴承51。带有进口管54和出口管55的进出水壳体53连接于筒体50上方。第一机械密封件52的下部穿过进出水壳体53后布置于筒体50内，用以安装叶轮/导叶56等部件；在所述泵轴60的上轴段61穿过进出水壳体53、叶轮/导叶56后与第一机械密封件52下部接触的位置，设置有本发明所述的陶瓷轴承71。筒体50内的直管57连接在第一机械密封件52的下方，第二机械密封件58连接在该直管57下方。所述泵轴60的下段穿过第二机械密封件58中设置的双吸叶轮59；该泵轴60的下段在穿入双吸叶轮59之前和穿过双吸叶轮59之后与该第二机械密封件58接触的位置，也分别设置有本发明所述的陶瓷轴承72和73。

综上所述，经过设计与试验验证，本发明的陶瓷轴承具有良好的耐高温、耐热冲击、耐杂质特性。可以作为承受泵径向力的重要零件，应用在压水堆核电站核安全2、3级泵等设备上，满足其运行及事故工况时的严苛要求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种陶瓷轴承，其特征在于，包含：

作为转动部件的金属轴套（10）和陶瓷轴套（20），所述陶瓷轴套（20）环绕于金属轴套（10）的外侧；

作为固定部件的陶瓷外圈（30）和金属壳体（40），并且使所述金属壳体（40）设置于陶瓷外圈（30）的外侧，而该陶瓷外圈（30）的内侧与所述陶瓷轴套（20）的外侧相对应；

其中，所述金属轴套（10）在其内侧设置有若干个空心环状结构（11），所述空心环状结构（11）是在金属轴套（10）的内侧开口并向金属轴套（10）的外侧凹入的形状。

2.如权利要求1所述的陶瓷轴承，其特征在于，

若干所述空心环状结构（11）相互间隔地布置在金属轴套（10）内侧，且与所述陶瓷轴套（20）在金属轴套（10）轴向所处的位置相对应；

所述陶瓷外圈（30）及金属壳体（40）的设置位置，与所述陶瓷轴套（20）在金属轴套（10）轴向所处的位置相对应。

3.如权利要求1所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述金属轴套（10）在空心环状结构（11）处的最小壁厚为2.5mm。

4.如权利要求1所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述陶瓷轴套（20）或陶瓷外圈（30）的基体材料为碳化硅，并且在所述陶瓷轴套（20）或陶瓷外圈（30）中嵌入有碳素纤维（21）。

5.如权利要求4所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述碳素纤维（21）沿陶瓷轴套（20）或陶瓷外圈（30）的轴向或圆周方向分别嵌入，或者，所述碳素纤维（21）沿陶瓷轴套（20）或陶瓷外圈（30）的轴向和圆周方向同时嵌入形成网格。

6.如权利要求5所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述碳素纤维（21）的网格的边长为1.7mm-3mm。

7.如权利要求1所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述金属轴套（10）和金属壳体（40）由奥氏体不锈钢制成。

8.如权利要求1所述的陶瓷轴承，其特征在于，

所述金属轴套（10）和陶瓷轴套（20）通过过盈配合装配；

所述陶瓷外圈（30）和金属壳体（40）通过过盈配合装配。

9.一种核电泵，其特征在于，

所述核电泵中，带有进口管（54）和出口管（55）的进出水壳体（53）连接于筒体（50）上方；第一机械密封件（52）的下部穿过进出水壳体（53）后布置于筒体（50）内，用以安装叶轮/导叶（56）；在泵轴（60）的上轴段（61）穿过进出水壳体（53）、叶轮/导叶（56）后与第一机械密封件（52）下部接触的位置，设置有如权利要求1所述的陶瓷轴承；

所述筒体（50）内的直管（57）连接在第一机械密封件（52）的下方，第二机械密封件（58）连接在该直管（57）下方；所述泵轴（60）的下段穿过第二机械密封件（58）中设置的双吸叶轮（59）；该泵轴（60）的下段在穿入双吸叶轮（59）之前和穿过双吸叶轮（59）之后与该第二机械密封件（58）接触的位置，也分别设置有如权利要求1所述的陶瓷轴承（72、73）。