CN112377524B - 柱面梯形面复合式推力瓦冠结构 - Google Patents

柱面梯形面复合式推力瓦冠结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，推力盘(10)位于推力瓦(9)上方，推力盘(10)左下侧为第一距离(11)，第一距离(11)右侧为第二距离(12)，推力盘(10)中下侧为第三距离(13)，第三距离(13)右侧为第四距离(14)，推力盘(10)右下侧为第五距离(15)，推力瓦(9)左侧设置第一梯形面(1)。本发明确保了周向中心支撑时可确保正反转运行的能力。本发明具备高承载能力、低损耗特性和较好的低速启动性能，避免了传统推力瓦表面构型的平面、阶梯、柱面和梯形较高损耗和较低承载力或启动性能较差的缺点，提高承载能力和可靠性寿命。

Description

柱面梯形面复合式推力瓦冠结构
技术领域
本发明涉及一种柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，用于核反应堆冷却剂泵水润滑轴承领域。
背景技术
反应堆冷却剂泵(简称核主泵)在三代核电等新型机组中，主体部件一般需要具备40-60年寿命，核主泵水润滑轴承广泛应用在非能动和能动类型三代等核电站核主泵中。核主泵水润滑推力轴承往往需要经历多次启停和断水等热瞬态工况，最小液膜厚度约为15-25微米范围；在正常运行工况下核主泵推力瓦需要工作在全液膜润滑状态，在断水等热瞬态工况下需要工作在半液膜润滑状态，尤其启停低速区间推力瓦工作在混合润和边界润滑状态，启动瞬间工作在干摩擦状态。传统推力瓦表面为了提高启动等过程的承载能力，进行冠面设计。推力瓦表面的冠面设计一般有四种类型：第一种，推力瓦表面为平面，无特殊设计冠面；第二种，推力瓦表面为阶梯面，即瓦中间和两侧均为平面，仅仅中间平面高于两侧平面；第三种，推力瓦表面为柱面，即瓦面为外凸的柱面；第四种，推力瓦表面为梯形面，即瓦中间为平面，瓦面两侧为梯形面。传统的四种推力瓦冠面设计，第一种为平面无特殊设计，当中心支撑时，承载能力较低；后三种为推力瓦表面凸型冠面结构，中心支撑情况下可以一定程度提高承载能力，但存在一些不足；第二种阶梯面推力瓦在启动过程液膜不足时，过渡台阶容易磨损；第三种柱面推力瓦在启动过程不能在较低转速下尽早建立动压润滑，进水边深度较小不利于启动初期进入更多的润滑介质；第四种梯形面推力瓦虽然在启动初期容易进入更多的润滑介质，但在高速阶段承载能力有较大降低。因此，需要开发一种新型推力瓦冠结构，此种方法既能提高高速阶段的最小液膜厚度和降低润滑损耗，同时还能在启动阶段动压润滑尚未建立时进入更多的润滑介质，避免以上四种传统的推力瓦表面冠结构的缺点，达到在确保较好启停性能前提下，具备较高水膜厚度和较低润滑损耗，同时保持一定轴向液膜刚度和阻尼水平，总体上提高核主泵推力轴承的可靠性和寿命。
发明内容
本发明提供一种柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，采用由中间柱面段和两侧梯形面连接构成，在确保高速阶段较高的承载能力的同时，低速阶段更利于润滑介质进入降低不连续动压润滑阶段的可能磨损，同时本发明可以支持轴系正反转运行，不需要额外在轴系上设置防倒转机构，降低了因防倒转机构进入而可能发生的卡转子事件。本发明的技术方案：一种柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，推力盘(10)位于推力瓦(9)上方，推力盘(10)左下侧为第一距离(11)，第一距离(11)右侧为第二距离(12)，推力盘(10)中下侧为第三距离(13)，第三距离(13)右侧为第四距离(14)，推力盘(10)右下侧为第五距离(15)，推力瓦(9)左侧设置第一梯形面(1)，第一梯形面(1)上侧设置第一倾角(17)，推力瓦(9)中间设置凸柱面(3)，凸柱面(3)的截面为半圆弧(18)，推力瓦(9)右侧设置第二梯形面(2)，第二梯形面(2)上侧设置第二倾角(16)；第一梯形面(1)由第一边线(19)、第一过渡线(20)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第一边线(19)和第一过渡线(20)形成第一夹角(21)；凸柱面(3)由第一过渡线(20)、第二过渡线(5)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第一过渡线(20)和第二过渡线(5)形成第二夹角(22)；第二梯形面(2)由第二过渡线(5)、第二边线(6)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第二过渡线(5)和第二边线(6)形成第三夹角(23)；第一夹角(21)角度值与第三夹角(23)角度值的相加之和，除以第一夹角(21)角度值、第二夹角(22)角度值和第三夹角(23)角度值的相加之和，相除结果等于5％-30％；第一梯形面(1)的截面形状为梯形，凸柱面(3)的截面形状为圆形、马鞍形或抛物线形，第二梯形面(2)的截面形状为梯形。
本发明工作原理：
本发明的柱面梯形面复合式推力瓦冠结构提供的推力盘(10)位于推力瓦(9)上方，推力盘(10)可以正反转运行，推力盘(10)左下侧为第一距离(11)，第一距离(11)右侧第二距离(12)，第一距离(11)和第二距离(12)构成进水侧，推力盘(10)中下侧为第三距离(13)，第三距离(13)右侧为第四距离(14)，推力盘(10)右下侧为第五距离(15)，第四距离(14)和第五距离(15)构成出水侧，推力瓦(9)左侧设置第一梯形面(1)，第一梯形面(1)上侧设置第一倾角(17)，第一倾角(17)的存在可以确保正向转动时低速阶段可以较早进入动压润滑并提供较多的润滑介质，推力瓦(9)中间设置凸柱面(3)，凸柱面(3)的截面为半圆弧(18)，凸柱面(3)可以确保中心支撑状态可以正反转运行并提高承载成立，推力瓦(9)右侧设置第二梯形面(2)，第二梯形面(2)上侧设置第二倾角(16)，第二倾角(16)的存在可以确保反向转动时低速阶段可以较早进入动压润滑并提供较多的润滑介质。
本发明的柱面梯形面复合式推力瓦冠结构提供的第一梯形面(1)由第一边线(19)、第一过渡线(20)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第一梯形面(1)的作用是降低损耗，防止推力瓦(9)在热瞬态凹变形及应力集中，同时可以在正向转动的低速阶段进入更多的润滑介质利于启停，第一边线(19)和第一过渡线(20)形成第一夹角(21)；凸柱面(3)由第一过渡线(20)、第二过渡线(5)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，凸柱面(3)的作用为提高动压润滑的承载能力并在中心支撑状态下提供正反转的工作能力，第一过渡线(20)和第二过渡线(5)形成第二夹角(22)；第二梯形面(2)由第二过渡线(5)、第二边线(6)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第二梯形面(2)作用是降低损耗，防止推力瓦(9)在热瞬态凹变形及应力集中，同时可以在反向转动的低速阶段进入更多的润滑介质利于启停，第二过渡线(5)和第二边线(6)形成第三夹角(23)；第一夹角(21)角度值与第三夹角(23)角度值的相加之和，除以第一夹角(21)角度值、第二夹角(22)角度值和第三夹角(23)角度值的相加之和，相除结果等于5％-30％，可以使得推力瓦(9)获得较好的启动性能和承载能力。
本发明的柱面梯形面复合式推力瓦冠结构提供第一梯形面(1)的截面形状为梯形，凸柱面(3)的截面形状为圆形、马鞍形或抛物线形，第二梯形面(2)的截面形状为梯形；第一距离(11)高度值减第二距离(12)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的5到20倍，可获得较低损耗和较好的启动性能，第五距离(15)高度值减第四距离(14)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的5到20倍，可获得较低损耗和较好的启动性能，第二距离(12)高度值减第三距离(13)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的1到5倍，可获得较高的承载能力并在中心支撑状态下可正反转运行，第四距离(14)高度值减第三距离(13)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的1到5倍，可获得较高的承载能力并在中心支撑状态下可正反转运行。
本发明技术效果：
本发明提供的柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，相比传统的瓦面构型如平面、阶梯面、柱面和梯形面，提高高速阶段的最小液膜厚度和降低润滑损耗，同时还能在启动阶段动压润滑尚未建立时进入更多的润滑介质，避免传统的推力瓦表面冠结构的低承载或高损耗等缺点，达到在确保较好启停性能前提下，具备较高水膜厚度和较低润滑损耗，同时保持一定轴向液膜刚度和阻尼水平，总体上提高核主泵推力轴承的可靠性和寿命；本发明不仅可以用于水润滑环境，也可以用于油或其他润滑介质等环境；本发明改变了水润滑推力瓦表面构型不能平衡低速启动性能和高速承载能力的缺点，并确保了周向中心支撑时可确保正反转运行的能力。
附图说明
图1本发明的柱面梯形面复合式推力瓦冠状结构图
图2是推力瓦结构图
图3是推力瓦表面多种冠面最小水膜厚度对比
图4是推力瓦表面多种冠面最大水膜压力对比
图5是推力瓦表面多种冠面最高水膜温度对比
图6是推力瓦表面多种冠面润滑损耗对比
图7是推力瓦表面多种冠面轴向刚度对比
图8是推力瓦表面多种冠面轴向阻尼对比
图9是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面最小水膜厚度对比
图10是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面最大水膜压力对比
图11是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面最高水膜温度对比
图12是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面润滑损耗对比
图13是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面轴向刚度对比
图14是柱面梯形面复合式瓦表面多种冠面轴向阻尼对比
具体实施方式
图1为适用于三代核电的水润滑推力瓦柱面梯形面复合式推力瓦冠结构的推力瓦冠状设计结构图，由侧挡板、瓦基、瓦面共同组成。采用由中间柱面段和两侧梯形面连接构成，在确保高速阶段较高的承载能力的同时，低速阶段更利于润滑介质进入降低不连续动压润滑阶段的可能磨损，同时本发明可以支持轴系正反转运行，不需要额外在轴系上设置防倒转机构，降低了因防倒转机构进入而可能发生的卡转子事件。
如图1所示，推力盘10位于推力瓦9上方，推力盘10可以正反转运行，推力盘10左下侧为第一距离11，第一距离11右侧第二距离12，第一距离11和第二距离12构成进水侧，推力盘10中下侧为第三距离13，第三距离13右侧为第四距离14，推力盘10右下侧为第五距离15，第四距离14和第五距离15构成出水侧，推力瓦9左侧设置第一梯形面1，第一梯形面1上侧设置第一倾角17，第一倾角17的存在可以确保正向转动时低速阶段可以较早进入动压润滑并提供较多的润滑介质，推力瓦9中间设置凸柱面3，凸柱面3的截面为半圆弧18，凸柱面3可以确保中心支撑状态可以正反转运行并提高承载成立，推力瓦9右侧设置第二梯形面2，第二梯形面2上侧设置第二倾角16，第二倾角16的存在可以确保反向转动时低速阶段可以较早进入动压润滑并提供较多的润滑介质；第一梯形面1的截面形状为梯形，凸柱面3的截面形状为圆形、马鞍形或抛物线形，第二梯形面2的截面形状为梯形；第一距离11高度值减第二距离12高度值为推力瓦9最小水膜厚度的5到20倍，可获得较低损耗和较好的启动性能，第五距离15高度值减第四距离14高度值为推力瓦9最小水膜厚度的5到20倍，可获得较低损耗和较好的启动性能，第二距离12高度值减第三距离13高度值为推力瓦9最小水膜厚度的1到5倍，可获得较高的承载能力并在中心支撑状态下可正反转运行，第四距离14高度值减第三距离13高度值为推力瓦9最小水膜厚度的1到5倍，可获得较高的承载能力并在中心支撑状态下可正反转运行。
如图2所示，第一梯形面1由第一边线19、第一过渡线20、内圆弧线7和外圆弧线8构成，第一梯形面1的作用是降低损耗，防止推力瓦9在热瞬态凹变形及应力集中，同时可以在正向转动的低速阶段进入更多的润滑介质利于启停，第一边线19和第一过渡线20形成第一夹角21；凸柱面3由第一过渡线20、第二过渡线5、内圆弧线7和外圆弧线8构成，凸柱面3的作用为提高动压润滑的承载能力并在中心支撑状态下提供正反转的工作能力，第一过渡线20和第二过渡线5形成第二夹角22；第二梯形面2由第二过渡线5、第二边线6、内圆弧线7和外圆弧线8构成，第二梯形面2作用是降低损耗，防止推力瓦9在热瞬态凹变形及应力集中，同时可以在反向转动的低速阶段进入更多的润滑介质利于启停，第二过渡线5和第二边线6形成第三夹角23；第一夹角21角度值与第三夹角23角度值的相加之和，除以第一夹角21角度值、第二夹角22角度值和第三夹角23角度值的相加之和，相除结果等于5％-30％，可以使得推力瓦9获得较好的启动性能和承载能力。
如图3所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9最小水膜厚度，图3可知柱面梯形面复合结构具有较高的最小水膜厚度，其中柱面梯形面复合结构的最小水膜厚度为平面结构的1.6倍，虽然柱面也具有较高的最小水膜厚度但没有梯形面不利于启停，所以从启动角度，柱面梯形面复合结构液膜厚度较高。
如图4所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9最大水膜压力，图4可知柱面梯形面复合结构具有较低的最大水膜压力，其中柱面梯形面复合结构的最大水膜压力仅为平面结构的67.9％，虽然柱面也具有较低的最大水膜压力但没有梯形面不利于启停，所以从启动角度，柱面梯形面复合结构液膜压力较低。
如图5所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9最高水膜温度，图5可知柱面梯形面复合结构具有最低的最高水膜温度，其中柱面梯形面复合结构的最高水膜温度仅为平面结构的84.3％，柱面梯形面复合结构利于降低水膜工作温度。
如图6所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9的润滑损耗，图6可知柱面梯形面复合结构具有最低的润滑损耗，其中柱面梯形面复合结构的润滑损耗仅为平面结构的40.5％，柱面梯形面复合结构利于降低损耗贡献。
如图7所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9的轴向刚度，图7可知柱面梯形面复合结构具有一定的轴向刚度，一般而言轴向刚度在1.0E+09量级可以较稳定运行。
如图8所示，推力瓦9表面冠状分别采用平面、阶梯面、柱面、梯形面和柱面梯形面复合式结构，在载荷112kN、转速750rpm和85℃时某型推力瓦9的轴向刚度，图8可知柱面梯形面复合结构具有一定的轴向阻尼，一般而言轴向刚度在1.0E+07量级可以较稳定运行。。
如图9所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的最小水膜厚度，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图9可知在柱面和0.3°梯形面时，推力瓦9可获得最大的最小水膜厚度，即13.02微米；在柱面确定时，存在一个最优梯形面倾角使得推力瓦9获得最大水膜厚度，提高承载能力。
如图10所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的最大水膜压力，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图10可知在柱面和0.3°梯形面时，推力瓦9在固定柱面时存在梯形面角度使得最大水膜压力较小，即当柱面和0.3°梯形面时其最大水膜压力仅为1.031MPa。
如图11所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的最高水膜温度，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图11可知推力瓦9在固定柱面时存在梯形面角度使得最高水膜温度随着梯形面角度增加，其最高水膜温度下降至仅为纯柱面时98.8％。
如图12所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的润滑损耗，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图12可知在柱面和0.3°梯形面时，推力瓦9在固定柱面时存在梯形面角度使得润滑损耗最小，即当柱面和0.3°梯形面时其润滑损耗仅为为纯柱面时91.5％。
如图13所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的轴向刚度，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图13可知推力瓦9在固定柱面时存在梯形面角度使得轴向刚度随着梯形面角度增加，其最高轴向刚度增加至仅为纯柱面时1.1倍。
如图14所示，推力瓦9采用柱面梯形面复合式结构时，在载荷150kN、转速500rpm和85℃时某型推力瓦9的轴向阻尼，固定柱面尺寸后，推力瓦9两侧的梯形面采用不同角度时，性能有所差异；某型推力瓦9表面分别采用柱面且无梯形面、柱面和0.3°梯形面、柱面和0.4°梯形面、柱面和0.5°梯形面，图14可知在柱面和0.3°梯形面时，推力瓦9在固定柱面时存在梯形面角度使得轴向阻尼最小，柱面固定时，随着梯形面角度增加，轴向阻尼先降低后升高。
这种柱面梯形面复合推力瓦冠结构，由侧挡板、瓦基、瓦面共同组成；采用由中间柱面段和两侧梯形面连接构成，在确保高速阶段较高的承载能力的同时，低速阶段更利于润滑介质进入降低不连续动压润滑阶段的可能磨损，同时本发明可以支持轴系正反转运行，不需要额外在轴系上设置防倒转机构，降低了因防倒转机构进入而可能发生的卡转子事件，提高可靠性和寿命预期。

Claims (2)

1.柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，其特征是：推力盘(10)位于推力瓦(9)上方，推力盘(10)可以正反转运行，推力盘(10)左下侧为第一距离(11)，第一距离(11)右侧第二距离(12)，第一距离(11)和第二距离(12)构成进水侧，第一距离(11)高度值减第二距离(12)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的5到20倍，第一距离(11)右侧为第二距离(12)，第二距离(12)高度值减第三距离(13)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的1到5倍，推力盘(10)中下侧为第三距离(13)，第三距离(13)右侧为第四距离(14)，第四距离(14)高度值减第三距离(13)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的1到5倍，推力盘(10)右下侧为第五距离(15)，第五距离(15)高度值减第四距离(14)高度值为推力瓦(9)最小水膜厚度的5到20倍，推力瓦(9)左侧设置第一梯形面(1)，第一梯形面(1)上侧设置第一倾角(17)，推力瓦(9)中间设置凸柱面(3)，凸柱面(3)的截面为圆弧形或马鞍形或抛物线形，推力瓦(9)右侧设置第二梯形面(2)，第二梯形面(2)上侧设置第二倾角(16)；第一梯形面(1)由第一边线(19)、第一过渡线(20)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第一边线(19)和第一过渡线(20)形成第一夹角(21)；凸柱面(3)由第一过渡线(20)、第二过渡线(5)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第一过渡线(20)和第二过渡线(5)形成第二夹角(22)；第二梯形面(2)由第二过渡线(5)、第二边线(6)、内圆弧线(7)和外圆弧线(8)构成，第二过渡线(5)和第二边线(6)形成第三夹角(23)，第一夹角(21)角度值与第三夹角(23)角度值的相加之和，除以第一夹角(21)角度值、第二夹角(22)角度值和第三夹角(23)角度值的相加之和，相除结果等于5％-30％。
2.根据权利要求1所述的柱面梯形面复合式推力瓦冠结构，其特征是：第一梯形面(1)的截面形状为梯形，凸柱面(3)的截面形状为圆形，第二梯形面(2)的截面形状为梯形。
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