重要廠用水泵軸承防水淹沒保護機構設計研究及工程應用
返回列表發布日期：2019-10-17 10:30:33 |
【摘 要】針對壓水堆核電站重要廠用水泵在事故工況下發生水淹，泵組仍能正常運行的要求，研究了一種軸承防水淹沒保護機構，并通過試驗驗證證明該機構是安全可靠的。
一、前言
壓水堆核電站重要廠用水泵是核安全三級泵，是為設備冷卻水系統熱交換器服務的，用來將設備冷卻水系統熱交換器中的熱量傳到最終熱阱——大海。要求在事故工況下，泵房發生水淹且水位未超過重要廠用水泵驅動端防塵盤時，重要廠用水泵仍能正常運行。如果普通離心泵的軸承部件被水淹沒，水就會立即進入軸承腔體，造成潤滑脂失效，導致水泵因出現故障或損壞而不能正常運行。
二、泵組安裝
重要廠用水泵位于電廠的聯合廠房（P X）地坑內，基礎安裝標高－20.00m。每個核反應堆分A、B兩個系列，每個系列配置2臺泵，通過取水構筑物從最終熱阱（海水）吸水，泵入口壓力為3.5～20m。泵在現場的管路布置及安裝位置如圖1和圖2所示。
三、機構設計研究
1.泵結構
重要廠用水泵為立式、單級、單吸、懸臂、徑向剖分和雙蝸殼結構，工作介質由泵底部吸入，水平排出。該泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、泵軸和軸承等部件組成，泵與電動機采用膜片式聯軸器聯接，軸封為填料密封，軸承由圓柱滾子軸承（非驅動端）與成對的角接觸球軸承（驅動端）組合，軸承潤滑為脂潤滑。
2.軸承保護機構
（1）設計原理 泵在運轉過程中，轉子上作用著軸向力，該力將拉動轉子軸向移動。在設計泵時必須設法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。在設計中經常用到一種背葉片方法來平衡轉子軸向力，背葉片平衡軸向力的原理如圖3所示。
背葉片平衡軸向力計算公式如下：
F1=（ω2ρ/8）[（s+t）2/s2－1]（Ae－Ah）（Re2－ Rh2）/2
式中 Re——背葉片半徑，單位為mm；
Rh——葉輪輪轂半徑，單位為mm；
t——背葉片寬度，單位為mm；
s——后蓋板與殼體壁的間隙，單位為mm；
Ae——以Re半徑為圓的面積，單位為mm2；
Ah——以Rh半徑為圓的面積，單位為mm2。
由上述公式可以看出，在其他參數一定的情況下，t值越大，即背葉片與殼體壁的間隙（s-t）越小、背葉片直徑越大，背葉片平衡軸向力的能力越強。背葉片不僅能夠平衡軸向力，同時還能減小軸封前液體的壓力，有防止雜質進入軸封的功能。
（2）設計研究 根據背葉片工作原理及背葉片有能夠防止雜質進入軸封的功能，假設外部壓力一定的情況下，調整背葉片直徑及背葉片與殼體壁間的間隙，背葉片能否完全阻止外部介質液體進入腔體內。對此，設計了密封動力輪及試驗裝置進行試驗驗證，試驗裝置如圖4所示。密封動力輪安裝在試驗裝置的最下端，通過鍵與裝置傳動軸連接在一起，裝置最上端裝有電動機，電動機通過聯軸器帶動傳動軸轉動，最終使密封動力輪轉動；裝置中所有相對靜止件間均有O形圈進行密封。
（3）試驗驗證 密封動力輪背部隔離腔蓋的空腔內裝有液位計接觸板，當有水進入隔離腔蓋的空腔內時，與液位計接觸板連接的指示燈會亮，指示燈亮的數量代表進入空腔內水的液位；同時在支撐管上標記有刻度，可以直觀反應當指示燈亮時密封動力輪被水淹深度。
試驗時，起動電動機在密封動力輪轉動的情況下將試驗裝置緩慢放入水池中，邊下沉裝置邊觀察指示燈，當指示燈亮時記錄下此時裝置插入水中的深度，如圖5所示；通過調整密封動力輪直徑、密封動力輪葉片與隔離腔蓋間的間隙值進行多次試驗，得到幾組密封動力輪直徑、密封動力輪葉片與防塵壓蓋間的間隙、插入深度、指示燈亮個數的數據見下表。
（4）試驗驗證結論 從試驗驗證結果可以得出，密封動力輪直徑和密封動力輪葉片與殼體間的間隙匹配適當的話，當被水淹一定水位，泵軸帶動密封動力輪旋轉，密封動力輪背部離心葉片對水做功并在離心力作用下使密封動力輪外邊緣處形成高壓區，能阻擋水進入軸承腔體。
四、產品應用
經試驗驗證，密封動力輪對水能起密封作用，將密封動力輪應用在重要廠用水泵的軸承部件的結構設計上，如圖6所示。
密封動力輪設計有離心葉片，通過軸套和軸肩軸向定位，采用鍵連接并隨軸轉動；密封動力輪與泵軸間安裝有O形圈，實現了軸承腔體的軸向密封；隔離腔蓋、軸承壓蓋設計有徑向密封。為保證運行過程中，非驅動端軸承腔體處不形成較低負壓區，產生油脂流失現象、影響軸承潤滑，隔離腔蓋上安裝有平衡管，平衡管與隔離腔相通。平衡管末端高于水淹沒液位且開口向下或水平，保證泵正常運轉或泵房發生水淹時，能夠保證非驅動端軸承腔體處的壓力平衡，不影響泵設備正常運轉。
五、結語
該軸承防水淹沒保護機構具有結構簡單、安全可靠等特點，可以保證核電站在事故工況下，即泵房發生水淹且水位淹沒重要廠用水泵軸承部件時，重要廠用水泵軸承不失效，仍能正常運行，為設備冷卻水系統熱交換器提供冷卻水，導出設備冷卻水系統所傳輸的熱量，確保核電站的安全。
一、前言
壓水堆核電站重要廠用水泵是核安全三級泵，是為設備冷卻水系統熱交換器服務的，用來將設備冷卻水系統熱交換器中的熱量傳到最終熱阱——大海。要求在事故工況下，泵房發生水淹且水位未超過重要廠用水泵驅動端防塵盤時，重要廠用水泵仍能正常運行。如果普通離心泵的軸承部件被水淹沒，水就會立即進入軸承腔體，造成潤滑脂失效，導致水泵因出現故障或損壞而不能正常運行。
二、泵組安裝
重要廠用水泵位于電廠的聯合廠房（P X）地坑內，基礎安裝標高－20.00m。每個核反應堆分A、B兩個系列，每個系列配置2臺泵，通過取水構筑物從最終熱阱（海水）吸水，泵入口壓力為3.5～20m。泵在現場的管路布置及安裝位置如圖1和圖2所示。
1.泵結構
重要廠用水泵為立式、單級、單吸、懸臂、徑向剖分和雙蝸殼結構，工作介質由泵底部吸入，水平排出。該泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、泵軸和軸承等部件組成，泵與電動機采用膜片式聯軸器聯接，軸封為填料密封，軸承由圓柱滾子軸承（非驅動端）與成對的角接觸球軸承（驅動端）組合，軸承潤滑為脂潤滑。
2.軸承保護機構
（1）設計原理 泵在運轉過程中，轉子上作用著軸向力，該力將拉動轉子軸向移動。在設計泵時必須設法消除或平衡此軸向力，方能使泵正常工作。在設計中經常用到一種背葉片方法來平衡轉子軸向力，背葉片平衡軸向力的原理如圖3所示。
F1=（ω2ρ/8）[（s+t）2/s2－1]（Ae－Ah）（Re2－ Rh2）/2
式中 Re——背葉片半徑，單位為mm；
Rh——葉輪輪轂半徑，單位為mm；
t——背葉片寬度，單位為mm；
s——后蓋板與殼體壁的間隙，單位為mm；
Ae——以Re半徑為圓的面積，單位為mm2；
Ah——以Rh半徑為圓的面積，單位為mm2。
由上述公式可以看出，在其他參數一定的情況下，t值越大，即背葉片與殼體壁的間隙（s-t）越小、背葉片直徑越大，背葉片平衡軸向力的能力越強。背葉片不僅能夠平衡軸向力，同時還能減小軸封前液體的壓力，有防止雜質進入軸封的功能。
（2）設計研究 根據背葉片工作原理及背葉片有能夠防止雜質進入軸封的功能，假設外部壓力一定的情況下，調整背葉片直徑及背葉片與殼體壁間的間隙，背葉片能否完全阻止外部介質液體進入腔體內。對此，設計了密封動力輪及試驗裝置進行試驗驗證，試驗裝置如圖4所示。密封動力輪安裝在試驗裝置的最下端，通過鍵與裝置傳動軸連接在一起，裝置最上端裝有電動機，電動機通過聯軸器帶動傳動軸轉動，最終使密封動力輪轉動；裝置中所有相對靜止件間均有O形圈進行密封。
試驗時，起動電動機在密封動力輪轉動的情況下將試驗裝置緩慢放入水池中，邊下沉裝置邊觀察指示燈，當指示燈亮時記錄下此時裝置插入水中的深度，如圖5所示；通過調整密封動力輪直徑、密封動力輪葉片與隔離腔蓋間的間隙值進行多次試驗，得到幾組密封動力輪直徑、密封動力輪葉片與防塵壓蓋間的間隙、插入深度、指示燈亮個數的數據見下表。
四、產品應用
經試驗驗證，密封動力輪對水能起密封作用，將密封動力輪應用在重要廠用水泵的軸承部件的結構設計上，如圖6所示。
五、結語
該軸承防水淹沒保護機構具有結構簡單、安全可靠等特點，可以保證核電站在事故工況下，即泵房發生水淹且水位淹沒重要廠用水泵軸承部件時，重要廠用水泵軸承不失效，仍能正常運行，為設備冷卻水系統熱交換器提供冷卻水，導出設備冷卻水系統所傳輸的熱量，確保核電站的安全。