核主泵用流體動靜壓型機械密封的性能研究與端面型槽優(yōu)化設計.pdf

1、一座百萬千瓦級的壓水堆核電站，有各種泵約130種，300臺左右，其中反應堆冷卻劑泵(ReactorCoolantPump，簡寫為RCP，也簡稱為核主泵)屬于核I級泵，被稱為反應堆安全運行的心臟。軸端機械密封是核主泵的關鍵部件，主要用于控制反應堆冷卻劑沿核主泵泵軸的泄漏，與主泵的安全、可靠運行密切相關。據(jù)不完全統(tǒng)計，核電站放射性物質(zhì)的泄漏原因40％起因于各類閥門密封不嚴，20％起因于核主泵軸端機械密封或軸承密封故障，其中最典型的事例是19

2、79年美國三厘島核泄漏事故，其起因就是核主泵軸端機械密封出現(xiàn)故障而引起，這次事故造成的直接經(jīng)濟損失高達7億美元。目前，我國核主泵密封還完全依賴進口，不僅價格高，而且供貨數(shù)量上還受限制，國家最高領導層及相關部委對此高度重視。因此，開展核主泵機械密封的設計理論與方法研究，揭示機械密封各結構件之間的協(xié)同作用原理與密封機理，準確預測機械密封在高參數(shù)狀態(tài)下的工作模式與規(guī)律，研究并開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn)權的高參數(shù)核主泵機械密封，填補我國核技術領域的

3、空白，從根本上解決目前迫切需要解決的核級密封問題，不僅對我國核電工業(yè)的快速與健康發(fā)展意義重大，而且對我國國民經(jīng)濟的長期持續(xù)發(fā)展與社會穩(wěn)定具有十分重要的實際意義和戰(zhàn)略意義。
　　 本文針對目前國內(nèi)外在役使用核主泵機械密封的結構特點及其在高參數(shù)操作條件下易受端面熱彈變形影響的工作特點，主要開展密封熱-流-固耦合分析，在現(xiàn)有核主泵主型機械密封結構的基礎上，發(fā)明新型結構并開展相關設計理論與加工制造方法研究。主要研究內(nèi)容和結論如下:

4、>　　 (1)考慮機械密封端面間密封流體流態(tài)的影響及流體粘度隨壓力與溫度的變化，構建了三維穩(wěn)態(tài)傳熱模型以及端面流體膜壓力和密封環(huán)溫度的控制方程，交叉采用有限元法及有限差分法并基于Matlab軟件編制相應計算程序求解了有關方程;基于有限元軸對稱變形理論計算密封環(huán)的熱變形和力變形，對密封進行熱-流-固耦合分析，研究了熱彈變形對密封性能的影響規(guī)律;同時研究了端面溫度、熱彈變形、端面流體膜平衡間隙等參數(shù)隨端面表面織構產(chǎn)生的變化規(guī)律。
　

5、　 (2)提出了核主泵用雙錐面流體靜壓型機械密封新結構，給出了錐面流體靜壓型機械密封端面幾何參數(shù)的統(tǒng)一定義，并對其端面幾何結構進行了優(yōu)化設計;對比分析研究了雙錐面與單錐面流體靜壓型機械密封在高操作參數(shù)條件下的密封性能，結果證明了雙錐面機械密封具有比傳統(tǒng)單錐面機械密封較大的液膜剛度和較高的可靠性，其中端面全加工雙錐面機械密封比部分加工雙錐面機械密封具有更好的穩(wěn)定性與可靠性。
　　 (3)研究了不同流態(tài)下雙錐面流體靜壓型機械密封的

6、密封性能變化規(guī)律，揭示了不同流態(tài)下雙錐面密封的密封環(huán)溫度場、端面液膜壓力分布和端面液膜剛度的變化規(guī)律，以及雙錐面密封相比較單錐面密封對流態(tài)和端面傾角的敏感度;通過不同流態(tài)下摩擦副配對材料對雙錐面密封性能影響的研究，證實了目前SiC-SiC、WC-WC和Al2O3-Al2O3三種常用配對副的合理性。
　　 (4)系統(tǒng)對比研究了端面毫微米跨尺度孔對多孔端面機械密封性能的影響，提出并證實了大孔端面機械密封應用于高操作參數(shù)條件下核主泵的

7、優(yōu)勢;基于大孔端面的流體動壓效應，綜合流體靜壓型機械密封和流體動壓型機械密封的各自優(yōu)點，提出了新型錐-孔組合端面流體動靜壓型機械密封，證明其相比于雙錐面密封不僅具有高開啟特性和液膜剛度，而且具有優(yōu)良的耐磨性，給出了核主泵操作條件下這種新型機械密封端面幾何形貌的優(yōu)選值。
　　 (5)基于密封環(huán)的變形可控原理，提出了核主泵流體靜壓型機械密封端面錐度的設計與加工方法，成功加工出具有較高精度的單錐面機械密封和雙錐面機械密封，在此基礎上采