CN106523519A - 抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦 - Google Patents

抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗瞬态一体式水润滑推力瓦，由复合工作面、钢基、复合隔热面、限位部件四部分构成。复合工作面承担水膜的承载功能，具有耐高温、耐冲击的特性，并且具有较好的自润滑作用；钢基为载荷的主要承担及传递者；复合隔热面具有较低热传导系数，在核主泵发生热瞬态时，抑制轴向产生较大的温度梯度，进而控制瓦面非正常变形；限位部分为内侧径向限位销和轴向限位销结合，每一个方向只有一个定位轴和一个限位轴，提高运行稳定性。水润滑推力瓦，具有滋润滑、耐冲击、耐高温、耐磨特性，在水中具有较好的化学稳定性和较低的杂质浸润释放率，可以广泛用于三代核电主泵及水利水电或轮船驱动领域。

Description

抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦
技术领域
本发明涉及一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦。
背景技术
三代核电具有更好的经济性和更高的安全指标，其中先进非能动压水堆核电站反应堆采用屏蔽式主泵或湿绕组主泵。核主泵往往采用水润滑轴承，水的粘度较低，水膜一般只有油膜厚度的十分之一左右。在启动、停机和加减速时，推力瓦容易出现较大变形，进而影响水润滑轴承的可靠性；水润滑轴承运行的可靠性就成为保证反应堆安全运行的重要部件之一，需要针对瞬态运行合理设计推力瓦的结构。
传统水润滑推力瓦瓦面材料一般使用石墨，结构为双层夹板式，上层为石墨板，下层为不锈钢瓦基，瓦基两侧设置两个档板，将上层石墨板固定在不锈钢瓦基上。传统水润滑推力瓦存在四个问题：第一，挡板采用螺钉固定，螺钉可能存在预紧失效脱落隐患；第二，挡板采用插板方式，为安装顺利，挡板与不锈钢瓦基凹槽将设置较大间隙，在轴承运行时上层石墨板将因间隙产生移动并撞击挡板，使得脆性石墨材料存在损耗脱落的隐患；第三，不锈钢瓦基下面无隔热层结构，在热瞬态工况下，推力瓦将产生较大变形，影响水膜的形成；第四，瓦面石墨为脆性材料，与推力盘往复冲击接触时易发生表面剥落。
发明内容
本发明的目的提供一种改善在热瞬态工况下推力瓦变形过大、强度大、稳定性好的抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦。本发明的技术方案为：抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦,由复合工作面、钢基、复合隔热面、限位部件四部分构成，工作瓦面(2)连接在不锈钢瓦基(1)上端，隔热瓦面(3)连接在不锈钢瓦基(1)下端，工作瓦面(2)与不锈钢瓦基(1)之间设有第一结合面(4)，隔热瓦面(3)与不锈钢瓦基(1)之间设有第二结合面(5)，在不锈钢瓦基(1)下端设有支撑凹槽(6)；在不锈钢瓦基(1)上端内圆设有第一凹槽(7)，在不锈钢瓦基(1)上端右侧设有第二凹槽(8)，不锈钢瓦基(1)上端外圆设有第三凹槽(9)，不锈钢瓦基(1)上端左侧设有第四凹槽(10)；有第一凹槽(7)右侧与第二凹槽(8)下侧连接相通，第二凹槽(8)上侧与第三凹槽(9)右侧连接相通，第三凹槽(9)左侧与第四凹槽(10)上侧连接相通，第四凹槽(10)下侧与第一凹槽(7)左侧连接相通，第一粗糙面(4)在不锈钢瓦基(1)上端表面；在不锈钢瓦基(1)下端内圆设有第五凹槽(18)，在不锈钢瓦基(1)下端右侧设有第六凹槽(17)，不锈钢瓦基(1)下端外圆设有第七凹槽(16)，不锈钢瓦基(1)下端左侧设有第八凹槽(19)；有第五凹槽(18)右侧与第六凹槽(17)下侧连接相通，第六凹槽(17)上侧与第七凹槽(16)右侧连接相通，第七凹槽(16)左侧与第八凹槽(19)上侧连接相通，第八凹槽(19)下侧与第五凹槽(18)左侧连接相通；在不锈钢瓦基(2)下端中间设有支撑凹槽(6)，第二粗糙面(5)在不锈钢瓦基(2)下端表面；工作瓦面(2)嵌入不锈钢瓦基(1)，第一连接线(11)经第一夹角(14)与第二连接线(12)连接，第二连接线(12)经第二夹角(15)与第三连接线(13)连接，第一夹角(14)大于60度且小于90度，第二夹角(15)大于60度且小于90度。
本发明提供水润滑推力瓦的解决新方案，采用降低系统复杂度的思想，将推力瓦结构由插板镶嵌式调整为一体式，并且增加的瓦背隔热层结构，提高在水润滑推力轴承在热瞬态工况对抗不利形变的能力，增加水润滑轴承运行的稳定性。由于复合材料利于复合瓦面，并且具有较好的自润滑特性，因此使用此种一体式推力瓦的轴承，经过优化设计，可以不使用高压介质顶起系统，提高了全厂失电时机组的可靠性。
大推力水润滑推力轴承要着重考虑提高推力瓦在系统起停机过程中的过度磨损问题，选用了耐高温树脂基短纤维增强复合材料作为工作瓦面和隔热面的复合材料，考虑三代核电在反应堆系统发生LOCA事件，导致高温高压的冷却剂泄露，使得主泵被淹没，在长时间的淹没状态中，轴瓦环境温度将长时间维持着在140摄氏度左右，对于树脂基限位增强复合材料，由于短纤维的加入，使得整体耐温等级提高，但这只是提高了整体机械强度的失效温度，在微观程度上，树脂基的耐热温度并没有改变，这将导致，推力瓦在表面微观上发生功能失效，瓦面的刚度硬度及弹性模量大幅度下降，进而影响水润滑轴承的安全。用于工作面及隔热面的瓦面复合。一体式推力瓦结构，简化了轴承装配的复杂度，降低了紧固件失效而导致轴承过度磨损的危险，由于复合材料耐冲击，也降低了在制造或装配过程中对推力瓦瓦面的损害，降低了经济损失。一体式水润滑推力瓦瓦面材料，用于核主泵的水润滑推力轴承，需要耐高温的同时，还要耐辐照，一般承受累计辐照剂量为100000至1000000Gy。
工作瓦面(2)与隔热瓦面(3)分别布置在不锈钢瓦基(1)上下两侧，当主泵处于失水工况，轴承润滑水环境温度迅速上升，90秒内提升约20至30摄氏度，由于隔热瓦面(3)存在，在轴向方向上，不会存在很大的温度梯度，相比无隔热瓦面(3)传统方案，其因瞬态温升而导致的工作瓦面(2)凹变形会大幅度降低。没有隔热瓦面(3)时，当瞬态温升为20K时，工作瓦面(2)凹变形最大值约为0.03mm，与水膜正常厚度接近，这样就会导致弹流润滑失败，摩擦副过度磨损甚至失效。当本发明增加隔热瓦面(3)后，可以在热瞬态时，抑制不锈钢瓦基(1)轴向的温度梯度，进而将工作瓦面(2)凹变形从0.03mm的量级降至不大于0.01mm的量级，核主泵在热瞬态时最小水膜得以保证。
工作瓦面(2)与不锈钢瓦基(1)通过燕尾槽方式结合，隔热瓦面(3)与不锈钢瓦基(1)也是通过燕尾槽方式结合，此种热压镶嵌结构，根据嵌入深度不同，可以保证等效剪切强度控制在10-30MPa；对比传统结构，省去了插板和紧固螺钉，降低了复杂度，提高了可靠性。
在工作瓦面(2)上，由第一凹槽(7)、第二凹槽(8)、第三凹槽(9)和第四凹槽(10)依次相连围城了一个扇形限位槽，扇形限位槽可以使得轴瓦在起动、停机、加减速时，工作瓦面(2)可靠地与不锈钢瓦基(1)接合，不会出现传统弹性塑料金属瓦铜丝层与钢基脱离的情况。
在隔热瓦面(3)上，由第七凹槽(16)、第六凹槽(17)、第五凹槽(18)和第八凹槽(19)依次相连围城了一个扇形限位槽，扇形限位槽可以使得隔热瓦面(3)稳固地接合在不锈钢瓦基(1)上；相比传统把合隔热板结构，去除了紧固件，降低了复杂度，提供了可靠性。
径向限位槽(20)设置在隔热瓦面(3)内侧，轴向限位槽(44)设置在隔热瓦面(3)外侧，具有较好位置度控制作用。当推力瓦沿着径向摆动时，径向限位槽(20)为限位，轴向限位槽(44)为转轴；当推力瓦沿着周向摆动时，径向限位槽(20)为为转轴，轴向限位槽(44)为限位。本发明结构，在径向摆动或周向摆动时，两个限位槽，一个转轴，一个定位，不存在定位不足，或过定位，提高了推力瓦运行的稳定性。
附图说明
图1本发明的抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦结构图
图2为图1的A-A剖视图
图3为图1的B-B剖视图
图4为图1的Ⅰ放大视图
图5为图1的C向视图
图6为图5的D-D剖视图
图7为图5的E-E剖视图
图8为图5的F-F剖视图
图9为推力瓦圆形瓦面俯视图
图10为推力瓦椭圆形瓦面俯视图
图11为推力瓦凸扇形瓦面俯视图
具体实施方式：
图1为抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦结构，由复合工作面、钢基、复合隔热面、限位部件四部分构成，如图1所示，工作瓦面2采用热压的方式复合连接在不锈钢瓦基1的上端，隔热瓦面3同样采用热压的方式复合连接在不锈钢瓦基1的下端，在工作瓦面2与不锈钢瓦基1之间设有第一结合面4，在隔热瓦面3与不锈钢瓦基1之间设有第二结合面5，第一结合面4的表面状态为滚花，第二结合5的表面状态也为滚花，不仅提高工作瓦面2与不锈钢瓦基1的结合稳定性，也提高了隔热瓦面3与不锈钢瓦基1的结合稳定性，也有利于控制工作瓦面2在精加工时表面的有害微量变形，在不锈钢瓦基1下端设有支撑凹槽6；在热瞬态工作状态下，隔热瓦面3的设置有利益于抑制不锈钢瓦基1和工作瓦面2的凹变形，将凹变形从与水膜厚度相当，到相比水膜厚度降低约一个数量级，进而避免了热瞬态时工作瓦面2的过度磨损问题。
如图2所示，在不锈钢瓦基1上端的内圆设有第一凹槽7，第一凹槽7的形状为圆弧，在不锈钢瓦基1上端的右侧设有第二凹槽8，第二凹槽的形状为直线，在不锈钢瓦基1上端的上端外圆设有第三凹槽9，第三凹槽形状为圆弧，在不锈钢瓦基1上端的左侧设有第四凹槽10，第四凹槽的形状为直线；第一凹槽7右侧与第二凹槽8下侧连接相通，第二凹槽8上侧与第三凹槽9右侧连接相通，第三凹槽9左侧与第四凹槽10的上侧连接想通，第四凹槽10下侧与第一凹槽7左侧连接想通；第一粗糙面4在不锈钢瓦基1的上端表面，第一粗糙面4一般采用滚花工艺进行处理，提高了不锈钢瓦基1与工作瓦面2的结合可靠性，等效抗剪切结合强度可以控制在10-30MPa。
如图3所示，在不锈钢瓦基1下端内圆设有第五凹槽18，第五凹槽18形状为圆弧，在不锈钢瓦基1下端右侧设有第六凹槽17，第六凹槽17形状为直线，在不锈钢瓦基1下端要外圆设有第七凹槽16，第七凹槽16形状为圆弧，在不锈钢瓦基1下端左侧设有第八凹槽19，第八凹槽19形状为直线；第五凹槽18右侧与第六凹槽17连接相通，第六凹槽17上侧与第七凹槽16右侧连接相通，第七凹槽16左侧与第八凹槽19上侧连接想通，第八凹槽19下侧与第五凹槽18左侧连接相通；在不锈钢瓦基2下端中间设有支撑凹槽6，第二粗糙面5在不锈钢瓦基2下端表面，第二粗糙面5一般采用滚花工艺进行处理；提高了不锈钢瓦基1与隔热瓦面2的结合可靠性，等效抗剪切结合强度可以控制在10-30MPa。
如图4所示，工作瓦面2嵌入不锈钢瓦基1，第一连接线11经第一夹角14与第二连接线12连接，第二连接线12经第二夹角15与第三连接线13连接，第一夹角14大于60度且小于90度，第二夹角15大于60度且小于90度，即提高了工作瓦面2与不锈钢瓦基1结合强度，又降低了热压工作瓦面2时的成型难度。
如图5所示，径向限位槽20设置在隔热瓦面内侧，具备径向定位作用和轴向导向作用，轴向限位槽44设置在隔热瓦面3外侧，具备轴向定位作用和径向导向作用；当推力瓦沿着径向摆动时，径向限位槽20为限位，轴向限位槽44为转轴；当推力瓦沿着周向摆动时，径向限位槽20为为转轴，轴向限位槽44为限位。本发明结构，在径向摆动或周向摆动时，两个限位槽，一个转轴，一个定位，不存在定位不足，或过定位，提高了推力瓦运行的稳定性。
如图6所示，第四连接线21与第五连接线22相连，第四连接线21与第五连接线22垂直，第五连接线22与第六连接线23相连，第五连接线22与第六连接线23垂直，第六连接线23与第七连接线24相连，第六连接线23与第七连接线24垂直，第七连接线24与第八连接线25相连，第七连接线24与第八连接线25垂直，第八连接线25与第九连接线26相连，第八连接线25与第九连接线26垂直，第九连接线26与第十连接线27相连，第九连接线26与第十连接线27垂直，可以提高径向限位槽20的定位精度，并增加限位的稳定性。
如图7所示，第十一连接线28与第十二连接线29相连，第十一连接线28与第十二连接线29垂直，第十二连接线29与第十三连接线30相连，第十二连接线29与第十三连接线30垂直，第十三连接线30与第十四连接线31相连，第十三连接线30与第十四连接线31垂直，第十四连接线31与第十五连接线32相连，第十四连接线31与第十五连接线32垂直，第十五连接线32与第十六连接线33相连，第十五连接线32与第十六连接线33垂直，第十六连接线33与第十七连接线34相连，第十六连接线33与第十七连接线34垂直可以提高轴向限位槽44的定位精度，并增加限位的稳定性。
如图8所示，隔热瓦面3与不锈钢瓦基1连接并接触，不锈钢瓦基1与工作瓦面2连接并接触，在不锈钢瓦基1内侧设有限位凹槽35，限位凹槽35形状为矩形，限位凹槽35在隔热瓦面3与工作瓦面2之间，限位凹槽35简化了轴向方向的限位结构。
如图9所示，推力瓦端面瓦形为圆形，圆形限位槽36内侧连接圆形粗糙面42，圆形粗糙面42表面一般采用滚花工艺处理；推力瓦端面瓦形为圆形比推力瓦端面瓦形为扇形具有更好的水膜压力分布，节省空间。
如图10所示，推力瓦端面瓦形为椭圆形，椭圆形限位槽37内侧连接椭圆形粗糙面43，椭圆形粗糙面43表面一般采用滚花工艺处理，比较接近水膜压力的真实分布，使得推力瓦瓦温更为合理。
如图11所示，推力瓦端面瓦形为外凸扇形，第九凹槽40右侧与第十凹槽39下侧连接，第十凹槽39上侧与第十一凹槽38右侧连接，第十一凹槽38左侧与第十二凹槽41上侧连接，第十二凹槽41下侧与第九凹槽左侧连接，内部设置外凸扇形粗糙面44，外凸扇形粗糙面44表面一般采用滚花工艺处理，即保留了推力瓦端面为扇形利于限位的优点，也使得在水膜压力分布方面更为合理，可以较好降低磨损程度。

Claims (6)

1.一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：由复合工作面、钢基、复合隔热面、限位部件四部分构成，工作瓦面(2)连接在不锈钢瓦基(1)上端，隔热瓦面(3)连接在不锈钢瓦基(1)下端，工作瓦面(2)与不锈钢瓦基(1)之间设有第一结合面(4)，隔热瓦面(3)与不锈钢瓦基(1)之间设有第二结合面(5)，在不锈钢瓦基(1)下端设有支撑凹槽(6)；在不锈钢瓦基(1)上端内圆设有第一凹槽(7)，在不锈钢瓦基(1)上端右侧设有第二凹槽(8)，不锈钢瓦基(1)上端外圆设有第三凹槽(9)，不锈钢瓦基(1)上端左侧设有第四凹槽(10)；第一凹槽(7)右侧与第二凹槽(8)下侧连接相通，第二凹槽(8)上侧与第三凹槽(9)右侧连接相通，第三凹槽(9)左侧与第四凹槽(10)上侧连接相通，第四凹槽(10)下侧与第一凹槽(7)左侧连接相通，第一粗糙面(4)在不锈钢瓦基(1)上端表面；在不锈钢瓦基(1)下端内圆设有第五凹槽(18)，在不锈钢瓦基(1)下端右侧设有第六凹槽(17)，不锈钢瓦基(1)下端外圆设有第七凹槽(16)，不锈钢瓦基(1)下端左侧设有第八凹槽(19)；第五凹槽(18)右侧与第六凹槽(17)下侧连接相通，第六凹槽(17)上侧与第七凹槽(16)右侧连接相通，第七凹槽(16)左侧与第八凹槽(19)上侧连接相通，第八凹槽(19)下侧与第五凹槽(18)左侧连接相通；在不锈钢瓦基(2)下端中间设有支撑凹槽(6)，第二粗糙面(5)在不锈钢瓦基(2)下端表面；工作瓦面(2)嵌入不锈钢瓦基(1)，第一连接线(11)经第一夹角(14)与第二连接线(12)连接，第二连接线(12)经第二夹角(15)与第三连接线(13)连接，第一夹角(14)大于60度且小于90度，第二夹角(15)大于60度且小于90度。
2.根据权利要求1所述的一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：径向限位槽(20)设置在隔热瓦面(3)内侧，轴向限位槽(44)设置在隔热瓦面(3)外侧。
3.根据权利要求1所述的一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：隔热瓦面(3)与不锈钢瓦基(1)连接，不锈钢瓦基(1)与工作瓦面(2)连接，在不锈钢瓦基(1)内侧设有限位凹槽(35)。
4.根据权利要求1所述的一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：推力瓦端面瓦形为圆形，推力瓦圆形限位槽(36)内侧连接圆形粗糙面(42)。
5.根据权利要求1所述的一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：推力瓦端面瓦形为椭圆形，椭圆形限位槽(37)内侧连接椭圆形粗糙面(43)。
6.根据权利要求1所述的一种抗瞬态变形一体式水润滑推力瓦，其特征是：推力瓦端面瓦形为外凸扇形，第九凹槽(40)右侧与第十凹槽(39)下侧连接，第十凹槽(39)上侧与第十一凹槽(38)右侧连接，第十一凹槽(38)左侧与第十二凹槽(41)上侧连接，第十二凹槽(41)下侧与第九凹槽(40)左侧连接，内部设置外凸扇形粗糙面(44)。
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