核主泵用流體動靜壓型機(jī)械密封的性能研究與端面型槽優(yōu)化設(shè)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(yīng)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(yīng)堆安全運(yùn)行的心臟。軸端機(jī)械密封是核主泵的關(guān)鍵部件，主要用于控制反應(yīng)堆冷卻劑沿核主泵泵軸的泄漏，與主泵的安全、可靠運(yùn)行密切相關(guān)。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(yán)，20％起因于核主泵軸端機(jī)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(jī)械密封出現(xiàn)故障而引起，這次事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)7億美元。目前，我國核主泵密封還完全依賴進(jìn)口，不僅價格高，而且供貨數(shù)量上還受限制，國家最高領(lǐng)導(dǎo)層及相關(guān)部委對此高度重視。因此，開展核主泵機(jī)械密封的設(shè)計理論與方法研究，揭示機(jī)械密封各結(jié)構(gòu)件之間的協(xié)同作用原理與密封機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)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(quán)的高參數(shù)核主泵機(jī)械密封，填補(bǔ)我國核技術(shù)領(lǐng)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(jì)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(jī)械密封的結(jié)構(gòu)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(jī)械密封結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，發(fā)明新型結(jié)構(gòu)并開展相關(guān)設(shè)計理論與加工制造方法研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

4、>　　 (1)考慮機(jī)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(gòu)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(yīng)計算程序求解了有關(guān)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(jìn)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(gòu)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(jī)械密封新結(jié)構(gòu)，給出了錐面流體靜壓型機(jī)械密封端面幾何參數(shù)的統(tǒng)一定義，并對其端面幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計;對比分析研究了雙錐面與單錐面流體靜壓型機(jī)械密封在高操作參數(shù)條件下的密封性能，結(jié)果證明了雙錐面機(jī)械密封具有比傳統(tǒng)單錐面機(jī)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(jī)械密封比部分加工雙錐面機(jī)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(jī)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(jī)械密封性能的影響，提出并證實了大孔端面機(jī)械密封應(yīng)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(yīng)，綜合流體靜壓型機(jī)械密封和流體動壓型機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械密封端面錐度的設(shè)計與加工方法，成功加工出具有較高精度的單錐面機(jī)械密封和雙錐面機(jī)械密封，在此基礎(chǔ)上采