CN107228089B - 钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承 - Google Patents

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Abstract

一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，由泵轴和轴套组成，泵轴表面设置有螺旋槽，轴套周向上均布4‑8组L形引流孔和轴向承压槽，L形引流孔的进口设置在轴套端部，轴向承压槽设置在轴套中部，引流孔与轴向承压槽一一对应，连接与轴向承压槽的中部。泵轴旋转时，叶轮背压通过引流孔进入轴向承压槽，形成流体静压；轴承外侧的液钠，由泵轴上的螺旋槽楔入轴承内，形成流体动压；流体静压与流体动压一起构成轴套支承泵轴的支承力，同时螺旋槽不断将轴承外侧的液钠楔入轴承内，阻止了叶轮背压液钠的泄漏，克服了现有钠冷快堆核主泵中轴承与泵轴之间流体膜承载能力差，运行时泵轴与轴承会发生碰撞导致轴颈磨损、钠泵效率降低的缺陷。

Description

钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承
技术领域
本专利属于轴承技术领域，特别涉及一种能够产生流体动静压的导向轴承，适用于钠冷快堆钠泵用导向轴承。
背景技术
从20世纪50年代末至60年代初，世界上建造第一批原型核电站以来，核电技术的发展已经经历了三代，正在进行第四代开发。在控制温室气体排放、发展低碳经济的大趋势下，许多国家都在积极推进核电建设，我国已将核电列为国家发展规划中低碳能源供应的重要支柱。
核电站反应堆种类较多，可分为轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆和快中子增值堆等。核电站原则性热力系统一般可分为三种：一回路系统、二回路系统、三回路系统。不论何种热力系统及堆型，均需要冷却剂将堆芯中核裂变产生的热量带出以冷却堆芯并进行后续发电过程的一回路系统。核主泵是驱动冷却剂在一回路不断循环的心脏部件。
作为第四代反应堆，快中子增殖堆可以高效利用核燃料，一般来说利用率可以达到60％～70％。快中子增殖堆运行时一方面消耗裂变燃料，同时又会产生裂变燃料，其冷却剂主要为液态金属和氦气。目前试验中的快中子冷却堆大多采用通过一回路系统的钠冷却剂将堆芯中核裂变产生的热量带出、二回路系统的钠受热剂将受用的热量送往蒸汽发生器。钠具有在常压下也能达到电站所要求的工作温度(活性区出口温度为500～600℃)的优点。钠的缺点是遇水或氧气后会发生剧烈反应甚至爆炸。为此，钠泵在设计时，均设计成立式，叶轮背面除了液钠，上方还覆盖有厚厚的氩气保护层。考虑到工作条件和性能要求，泵轴的上端采用组合的球轴承和端面轴承，下端采用滑动轴承作导向轴承。
按照现有技术，立式钠泵的导向轴承结构是这样的：与钠泵泵体连接的轴套端面上开设有L形引流孔，连通轴套内径布置的轴向承压槽。在钠泵工作时，叶轮背压通过引流孔进入轴向承压槽，由于L形引流孔的直径大于泵轴与轴套间的间隙，流动阻力较小，因此，液钠通过L形引流孔进入轴向承压槽，在轴套与泵轴之间形成流体静压，并在泵轴偏心的条件下产生流体动压。在转速较慢的工况下，叶轮背压较小，经由L形引流孔流入轴向承压槽的液钠产生的流体静压也很小，难以承担泵轴的偏心摆动力，泵轴与导向轴承会发生碰撞而损伤。一回路及二回路的钠泵规定使用寿命均为40年，如果在此期间对泵轴和轴承进行更换将造成巨大的经济损失，不仅如此，维修时混入钠泵的氧气以及水汽在工作与液钠接触会发生剧烈的化学反应，不利于钠泵的安全运行，甚至引发事故。此外，由叶轮背压经L形引流孔进入轴向承压槽内液钠，形成流体静压时，会从轴承上端与泵轴的间隙泄漏，导致钠泵效率降低。
发明内容
本技术的目的是提出一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，以解决现有钠泵在启动和运行时导向轴承承载力不足，致使泵轴与轴承碰擦磨损，以及泄漏率较大，钠泵效率低的问题，保证钠冷快堆长周期安全稳定运行，提高钠泵的工作效率。
本专利的技术方案是：
一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，由轴套6和泵轴5组成，轴套6连接于泵体2，并穿套在泵轴5上，轴套6上开有引流孔9，所述引流孔9将轴套6与泵体2连接的端面和在轴套6内径布置的轴向承压槽8相连通，在钠泵工作时，叶轮3背压通过引流孔进入轴向承压槽8，形成流体静压；泵轴5上开设有螺旋槽7，在钠泵工作时，螺旋槽7将轴承外侧的液钠楔入进轴承内，形成流体动压。
轴套6周向上均布4-8组L形引流孔9和轴向承压槽8，L形引流孔9的进口设置在轴套6端部，轴向承压槽8设置在轴套6中部，引流孔9与轴向承压槽8一一对应，连接于轴向承压槽8的中部；
所述的轴向承压槽8设置在轴套6的中部，轴向承压槽8的起止位置距离轴套6两端部一定的距离，其长度短于轴套6的宽度。
所述的螺旋槽7的下止点略高于轴向承压槽8的下端面，上止点略高于轴套6的上端面。
所述的螺旋槽7的螺旋方向与泵轴5的旋转方向一致。
所述的螺旋槽7截面形状为矩形、半圆形或半椭圆形。
本技术所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，钠泵工作时，液钠从进液口1进入钠泵，经过叶轮3泵送至出液口4，出液口4的液钠有三条流动通道，第一条为叶轮3与出液口4之间的间隙通道，出液口处的高压液钠通过这一通道向进液口1回流，为阻止液钠流向进液口1，在叶轮3进液口1外缘处与泵体2之间设置迷宫密封；第二条为泵的出液口4；第三条为叶轮3背部与泵体2之间的缝隙通道。在液钠进入叶轮3背部与泵体2之间的缝隙通道之后，又有2条泄漏途径：一条是泵轴5与轴套6之间的狭小间隙，另一条是轴套端部的L形引流孔。由于L形引流孔9的孔径大于泵轴5与轴套6之间的间隙，L形引流孔9中阻力较小，因此液钠通过L形引流孔9进入轴向承压槽8和轴套6与泵轴5之间的间隙中。叶轮3背压通过L形引流孔9进入轴向承压槽8与泵轴5之间的间隙产生流体静压，承载泵轴5工作中一定量的扰动。
所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，在泵轴5上开设了螺旋槽7，当钠泵开始工作，泵轴5运转时，轴承外侧的液钠被螺旋槽7楔入进轴承内，螺旋槽7槽壁对泵轴5与轴套6之间的液钠施加推进力，进行能量交换，泵轴5的旋转动能转变为液钠的压力能，产生流体动压。在流体静压与流体动压的共同作用下，泵轴5与轴套6之间产生支承力，防止扰动引发泵轴5与轴承轴套6的碰撞，延长泵轴5与轴承轴套6的使用寿命。
由于螺旋槽7的下止点略高于轴向承压槽8的下端面，泵轴5运转时，液钠在螺旋槽7槽壁的推动作用下，逐渐聚集在靠近轴向承压槽8的下端面处，形成较高的液钠压力，能够抵御泵轴5较大的扰动。
螺旋槽7的螺旋方向与泵轴5的旋转方向一致，是为了使泵轴5旋转时，螺旋槽7能够把位于轴套上部、轴承外侧的液钠楔入泵轴螺旋槽中，在泵轴与轴套之间的间隙内，形成流体动压。
图1为开设有螺旋槽的泵轴导向轴承示意图。图2是开设有螺旋槽的泵轴沿垂直于螺旋槽的F-F线周向展开图。图3为泵轴在偏心情况下与轴承轴套位置示意图。
在槽区内任意位置z处的泵送速度为
式中，z为螺旋槽区内任意位置；v’为液体沿螺旋槽方向泵送速度；v为泵轴圆周线速度；h为螺旋槽深度；α为螺旋角。
沿槽深方向的泵送速度的平均值ump为
泵送流量Qp为泵送速度、横向槽宽、螺旋槽深度h、螺旋头数i的乘积
式中，b为轴向槽宽。
由图2螺旋槽的几何关系可知
式中，d为转子直径；a为螺旋轴向齿宽；k1为螺旋槽相对槽宽，
则泵送流量
一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的泄漏流动可以沿两个路径产生，一是沿螺旋槽流动，另一是越过螺旋槽槽顶的流动。泄漏量均可按通过缝隙流动的一般公式来计算，即
式中，Δp为泵出压力与泵入压力之差；b1为缝宽，h1为缝深，μ为液钠的动力粘度，L1为有效缝长。
当计算沿螺旋槽的泄漏量Qx1时，由图2可知，其泄漏通道的缝深h1＝h+s,缝宽b1＝bcosα·i，L1＝L/sinα
则沿螺旋槽的泄漏流量Qx1为
当计算越过螺旋槽槽顶的泄漏流量Qx2时，由图2可知，其泄漏通道的缝深h1＝s，缝宽
越过螺旋槽槽顶的泄漏流量Qx2为
定义相对槽深且/>
则总泄漏流量Q总为Qx1与Qx2之和
当泵送流量与泄漏流量相等时，钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承达到零泄漏。一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承在零泄漏条件下的密封能力为
式中，
由图3可知，偏心率ε为
ε＝e/s (11)
式中，e为轴承轴套与泵轴圆心偏心距；泵轴与轴承轴套半径间隙s＝(D-d)/2。
当泵轴出现偏心现象时，沿螺旋槽泄漏的流量和越过螺旋槽槽顶的泄漏量均可表示为
当泵轴出现偏心现象时的总泄漏量为
当轴承与泵轴圆心偏心距e＝0时，即居于同心，则变为公式(9)；
当轴承与泵轴圆心偏心距e＝s时，即完全偏心，则有
由式(13)可知，偏心率对泄漏量的影响很大，完全偏心产生的泄漏量为同心的2.5倍。
在考虑偏心率ε的情况下，对式(10)进行改进，可得在偏心状态下一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的密封能力为
式中，
钠泵的偏心率ε增大，导致泵轴与轴承之间液钠的总泄漏量增大，钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的密封能力减小，偏心率ε越大，密封能力越差。
所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承在泵轴5出现偏心时也能产生流体静压与流体动压，流体静压与流体动压共同作用形成轴承总的承载力。
由流体静压形成的承载力可表示为
W静＝p背Bd (16)
式中，B为轴承宽度，p背为叶轮背压。
流体动压从轴承外侧的p外至轴承下端面处的(△p+p外)呈线性变化，因此流体动压所形成的承载力可表示为
式中，p外为轴承外侧压力。
则由流体静压和流体动压形成的总承载力为：
式(18)中只有k′为关于偏心率ε的变量，而偏心率ε＝e/s中s为定值，因此，W总是关于偏心距e的函数关系式(19)。
其中，
将式(19)对e进行求导并取绝对值，可得到钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的刚度K
K＝|f′(e)| (20)
刚度越大，泵轴越不容易与轴承轴套发生碰撞。
所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的螺旋槽7工作方向钠泵5旋转方向一致。钠泵开始工作时，旋转时，轴承外侧的液钠受到泵轴5螺旋槽效应的作用，被楔入进轴承内，向叶轮背压侧泵送，一方面通过泵轴5上开设的螺旋槽7施加的推进力获得能量在轴套和泵轴间形成流体动压，另一方面抵消了叶轮背压侧向轴承外液钠泄漏，提高钠泵的工作效率。
所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承通过L形引流孔9和轴向承压槽8将叶轮背压传递至轴套和泵轴之间形成流体静压，与上述流体动压组合，产生流体承载力和刚度，维持泵轴与轴套之间的非接触。
本技术的有益效果
上面所述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，具有以下几个优点：
1)能够产生良好的承载力。一般立式钠泵的泵轴5与轴承之间只存在由L形引流孔9和轴向承压槽8产生的流体静压和由于泵轴偏心运转产生的流体动压，当钠泵低速运行时流体静压和动压较小，难以承担泵轴5的偏摆，极易与轴承的碰撞。本技术中泵轴5上开设的螺旋槽7能够对泵轴5与轴套6之间的液钠施加推进力产生流体动压，在流体动压和流体静压的共同作用下可以产生更大的承载力。
2)泵轴5与轴承轴套零接触，钠泵的发热量小，降低了泵轴功率消耗。
3)提高了泵的效率。泵轴5上开设的螺旋槽7在泵轴旋转的过程中将轴承外侧的液钠楔入到轴承内，减少了泵轴导向轴承系统中液钠的泄漏，提高液钠的使用率。
附图说明
图1为开设有螺旋槽的泵轴导向轴承示意图。
图2是开设有螺旋槽的泵轴沿垂直于螺旋槽的F-F线周向展开图。
图3为泵轴在偏心情况下与轴承轴套位置示意图。
图4为图2中带矩形螺旋槽的M-M截面示意图。
图5为图2中带半圆形螺旋槽的M-M截面示意图。
图6为图2中带半椭圆形螺旋槽的M-M截面示意图。
图7为带有螺旋槽的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承的钠泵截面结构示意图。
图8为图7中的N-N截面示意图。
其中，1—进液口；2—泵体；3—叶轮；4—出液口；5—泵轴；6—轴套；7—螺旋槽；8—轴向承压槽；9—L形引流孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本技术的实施方式。
参见图7、图8中描述的一种钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，由轴套6和泵轴5组成，轴套6连接于泵体2，并穿套在泵轴5上，其特征是：轴套6上与泵体2连接的端面上开设有引流孔9，连通与轴套6内径布置的轴向承压槽8，在钠泵工作时，叶轮3背压通过引流孔9进入轴向承压槽8，形成流体静压；泵轴5上开设有螺旋槽7，在钠泵工作时，螺旋槽7将轴承外侧的液钠楔入进轴承内，螺旋槽对液钠施加推进力进行能量转换，产生流体动压。
引流孔9为L形，每列L形引流孔9之间间隔为45°，轴向承压槽8处于轴套6的中部，引流孔9与轴承内径布置的轴向承压槽8一一对应，轴套中部开设的轴向承压槽8的长度小于轴套6的轴向高度。
钠泵工作时，液钠从进液口1进入钠泵，经过叶轮3泵送至出液口4，出液口4的液钠有三条流动通道，第一条为叶轮3与出液口4之间的间隙通道，出液口处的高压液钠通过这一通道向进液口1回流，为阻止液钠流向进液口1，在叶轮3进液口1外缘处与泵体2之间设置迷宫密封；第二条为泵的出液口4；第三条为叶轮3背部与泵体2之间的缝隙通道。在液钠进入叶轮3背部与泵体2之间的缝隙通道之后，又有2条泄漏途径：一条是泵轴5与轴套6之间的狭小间隙，另一条是轴套端部的L形引流孔。由于L形引流孔9的孔径大于泵轴5与轴套6之间的间隙，L形引流孔9中阻力较小，因此液钠通过L形引流孔9进入轴向承压槽8和轴套6与泵轴5之间的间隙中。叶轮3背压通过L形引流孔9进入轴向承压槽8与泵轴5之间的间隙产生流体静压；泵轴5运转时，泵轴5与轴套6之间的液钠被螺旋槽7侧壁施加推进力，获得能量，形成流体动压；流体静压和流体动压的共同作用，形成了巨大的支承力，承载泵轴5工作中的扰动，防止泵轴5与轴承轴套6碰撞，延长泵轴5与轴承轴套6的使用寿命。
钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承产生的流体动静压与叶轮背压处的液钠压力相平衡，建立密封状态，阻止液钠沿泵轴泄漏。
在泵轴5上开设螺旋槽7工作方向与泵轴5旋转方向一致，泵轴5上螺旋槽7有效长度L略大于轴向承压槽8的长度，螺旋槽7为矩形槽，此时，取螺旋角为22°，螺旋轴向齿宽等于螺旋槽轴向槽宽，k1为0.5，螺旋槽7槽深与泵轴5和轴承轴套6的半径间隙比值h:s为2:1，k2为3。当偏心率ε取0.9，可求得k’为0.365。
钠泵处于惰转情况时，泵轴转速为80rpm，泵轴圆周线速度v为1.675m/s，泵轴与轴承轴套半径间隙s为0.001m，有效长度L为0.4m，工作温度下液钠的动力粘度μ为0.3Pa·s，轴承宽度B为0.4m，泵轴直径d为0.4m，液钠进液口与出液口直径相等，均为800mm，进出口液钠的流速相等，钠泵的扬程为95m，根据进液口液钠压力为0.25MPa，求得到出液口液钠压力为1.065MPa，轴承外侧压力与进液口压力相等，p外为0.25MPa，叶轮背压处压力与出液口液钠压力几乎相等，p背取值1.065MPa，代入式(21)可得总承载力W总为2.691×105N。
将上述已知值代入式(19)可得到关于偏心距e的关系式：
将式(21)代入式(20)可得刚度K
偏心率ε为0.9，轴承轴套半径间隙s为0.001m时，偏心距e为0.0009m；将其代入式(22)可得钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承在钠泵惰转情况下的刚度K为6.096×107N/m。
钠泵正常运转时，转速为800rpm，泵轴圆周线速度v变为16.75m/s，偏心率ε取0.9，求得k’为0.365；将各参数代入式(19)可得总承载力W总为7.973×105N，代入式(22)可得刚度K为6.096×108N/m。

Claims (7)

1.钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，由轴套(6)和泵轴(5)组成，轴套(6)连接于泵体(2)，并穿套在泵轴(5)上，其特征是：轴套(6)上开有引流孔(9)，所述引流孔(9)将轴套(6)与泵体(2)连接的端面和在轴套(6)内径布置的轴向承压槽(8)相连通，在钠泵工作时，叶轮(3)背压通过引流孔进入轴向承压槽(8)，形成流体静压；泵轴(5)上开设有螺旋槽(7)，在钠泵工作时，螺旋槽(7)将轴承外侧的液钠楔入进轴承内，形成流体动压；
该流体动静压混合型导向轴承的密封能力为
式中，
Δp为泵出压力与泵入压力之差，μ为液钠的动力粘度，v为泵轴圆周线速度，h为螺旋槽深度，α为螺旋槽螺旋角，a为螺旋槽轴向齿宽，b为螺旋槽轴向槽宽，L为螺旋槽有效长度，e为轴套与泵轴圆心偏心距，s为泵轴与轴套半径间隙，偏心率ε为ε＝e/s。
2.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：轴套(6)周向上均布4-8组L形引流孔(9)和轴向承压槽(8)，L形引流孔(9)的进口设置在轴套(6)端部，轴向承压槽(8)设置在轴套(6)中部，引流孔(9)与轴向承压槽(8)一一对应，连接于轴向承压槽(8)的中部。
3.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：所述的轴向承压槽(8)设置在轴套(6)的中部，轴向承压槽(8)的起止位置距离轴套(6)两端部一定的距离，其长度短于轴套(6)的宽度。
4.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：所述的螺旋槽(7)的下止点略高于轴向承压槽(8)的下端面。
5.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：所述的螺旋槽(7)的上止点略高于轴套(6)的上端面。
6.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：所述的螺旋槽(7)的螺旋方向与泵轴(5)的旋转方向一致。
7.如权利要求1所述的钠冷快堆钠泵用流体动静压混合型导向轴承，其特征是：所述的螺旋槽(7)截面形状为矩形、半圆形或半椭圆形。
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