唐彬嘉，毛文軍，李儉君

(1. 蘇州熱工研究院有限公司，廣東深圳 518000；2. 東方法馬通核泵有限責(zé)任公司，四川德陽(yáng) 618000)

0 引言

本文所述核電主泵采用三軸承結(jié)構(gòu)，承受來(lái)自轉(zhuǎn)子的軸向和徑向負(fù)荷，電機(jī)由上部推力軸承組件和下部軸承兩部分組成(見(jiàn)圖1)。為了掌握和了解這些軸承的運(yùn)行情況，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，在每一套軸承中均考慮了兩套采用K分度熱電偶(華龍一號(hào)電機(jī)為熱電阻)作為測(cè)溫元件組成測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)核電廠的DCS系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控這些軸承的運(yùn)行溫度。CPR1000主泵整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件重約17.8 t，在RCP系統(tǒng)靜態(tài)壓力約為37 bar時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件自重力略等于向上軸頭力；主泵電機(jī)在空載或一回路低壓時(shí)，下推力瓦承受轉(zhuǎn)子軸向負(fù)荷，在推力頭高速旋轉(zhuǎn)下推力頭與推力瓦、潤(rùn)滑油共同作用產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，建立油膜，潤(rùn)滑油與推力頭、推力瓦摩擦產(chǎn)生溫升。理論上空載或一回路低壓時(shí)上推力瓦溫度應(yīng)低于下推力瓦，大多數(shù)CPR1000主泵電機(jī)空載或在一回路低壓狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，下推力瓦溫度略高于或接近上推力瓦。少數(shù)電機(jī)是上推力瓦溫度高于下推力瓦，而華龍一號(hào)主泵電機(jī)在空載過(guò)程中溫度均是上推力瓦高于下推力瓦，因此本文對(duì)主泵電機(jī)運(yùn)行時(shí)推力瓦溫度差異性進(jìn)行分析。下文以CPR1000主泵電機(jī)和華龍一號(hào)主泵電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析(見(jiàn)表1)。

表1 某CPR1000主泵電機(jī)與某華龍一號(hào)主泵電機(jī)的運(yùn)行溫度數(shù)據(jù) 單位：℃

圖1 核泵電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

表中數(shù)據(jù)可看出CPR1000主泵電機(jī)空載時(shí)上推力瓦溫度比下推力瓦高2.3 ℃。RCP系統(tǒng)壓力25 bar時(shí)，上推力瓦溫升約8 ℃下，下推力瓦溫升約4 ℃；上推力瓦溫度比下推力瓦高約4 ℃。當(dāng)RCP系統(tǒng)壓力從25 bar上升到68 bar時(shí)，因RCP系統(tǒng)軸向力不斷增加使下推力瓦受力逐漸減少，從而使下推力瓦溫度略降2 ℃，這時(shí)上推力瓦溫度幾乎沒(méi)變化，上、下推力瓦溫差擴(kuò)大約6 ℃；說(shuō)明RCP系統(tǒng)壓力增加能減少下推力瓦承受負(fù)荷，從而降低下推力瓦溫度。

華龍一號(hào)電機(jī)在空載時(shí)上推力瓦溫升17 ℃，下推力瓦溫升10.4 ℃，上推力瓦溫度比下推力瓦高約6.6 ℃；且上推力瓦與上導(dǎo)瓦溫度較接近，即上推力瓦溫度偏高。

綜上，主泵電機(jī)存在空載及低壓工況下上推力瓦比下推力瓦溫度高，且在空載時(shí)華龍一號(hào)電機(jī)上、下推力瓦的溫度差異性更大。

1 軸承裝配及其測(cè)溫原理

測(cè)溫元件按照設(shè)計(jì)要求合理地分布在上部軸承軸瓦中，主泵電機(jī)采用的是能自動(dòng)找平的金斯伯里(Kingsbury)型推力軸承和可傾斜式的導(dǎo)軸承(見(jiàn)圖2)，承受軸向和徑向載荷；上、下推力軸承的推力瓦表面襯有巴氏合金，與推力頭的總間隙在0.40 mm左右。上導(dǎo)軸承的導(dǎo)瓦表面也襯有巴氏合金，它與推力頭單邊間隙為0.12 mm左右;它的冷卻潤(rùn)滑由自身油泵通過(guò)兩個(gè)噴油管供應(yīng)。

圖2 上部軸結(jié)構(gòu)圖

CPR1000主泵電機(jī)推力瓦使用的是K-型熱電偶(華龍一號(hào)為PT100鉑熱電阻)，由一根鎳-鉻材料和一根K型鎳合金包含在核級(jí)氧化鎂高壓套管內(nèi)，套管不銹鋼牌號(hào)為Z 2CND 1712。采用熱對(duì)接焊縫完全包在無(wú)機(jī)絕緣里，不與外部套管的端部接觸。連接的端部用玻璃纖維絕緣，通過(guò)“熱電效應(yīng)”將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。裝配時(shí)，將φ3 mm的熱電偶探頭端裝配到φ8 mm推力瓦測(cè)溫孔內(nèi)(見(jiàn)圖3)，并通過(guò)NPT螺紋鎖定在推力瓦上，且要求熱電偶頂部與測(cè)溫孔底部不能接觸，有10 mm間隙(CPR1000和華龍一號(hào)電機(jī)測(cè)溫結(jié)構(gòu)已改進(jìn)，在熱電偶探頭上加了一件絕緣套管保證不與推力瓦測(cè)溫孔接觸)。

圖3 測(cè)溫元件裝配示意

主泵電機(jī)軸承設(shè)計(jì)程序中，不僅僅只考慮目標(biāo)瓦的溫升，還考慮了其它所有軸承零部件發(fā)熱及流體因數(shù)影響。測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)自于一個(gè)成熟的主泵電機(jī)軸承設(shè)計(jì)程序，它是通過(guò)評(píng)價(jià)軸瓦軸襯溫升、軸瓦油膜溫升和油槽溫升等因素來(lái)綜合評(píng)價(jià)軸承軸瓦的溫度。使用這個(gè)程序設(shè)計(jì)的推力軸承，主要評(píng)價(jià)要素集中在軸瓦的平均溫度上(通過(guò)測(cè)溫孔測(cè)量)。圖4簡(jiǎn)要地定性展示了軸瓦溫度測(cè)量技術(shù)方案中，瓦面摩擦溫度、軸瓦襯里溫度、油膜溫度和軸瓦平均溫度之間的關(guān)系；可以看出，主泵推力瓦的溫度測(cè)量值為綜合溫度。

圖4 主泵軸瓦溫度分布原理

2 主泵電機(jī)推力軸承流場(chǎng)分析

2.1 推力瓦測(cè)溫結(jié)構(gòu)介紹

推力瓦測(cè)溫元件測(cè)得的溫度實(shí)為推力瓦測(cè)溫孔內(nèi)潤(rùn)滑油的平均溫度，而測(cè)溫孔內(nèi)的潤(rùn)滑油是通過(guò)在推力瓦上兩個(gè)互為90°的φ3 mm孔形成回路通道(見(jiàn)圖5)。一個(gè)φ3 mm孔在推力瓦右側(cè)邊中間位置，高度約為瓦厚度的1/3(見(jiàn)圖6)；另一個(gè)φ3 mm孔在推力瓦上端面靠近外圓弧面長(zhǎng)度方向上約1/3處；推力瓦兩側(cè)邊有約6 mm深的凹槽。

圖5 上推力瓦結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 測(cè)溫孔流道示意圖

2.2 推力軸承流場(chǎng)分析

2.2.1 計(jì)算程序簡(jiǎn)介

流體潤(rùn)滑軸承性能計(jì)算通常用數(shù)值法求解，經(jīng)過(guò)離散化處理雷諾方程所得的線性代數(shù)方程，得到各節(jié)點(diǎn)上的壓力分布，溫度分布等；然后進(jìn)行數(shù)值積分和運(yùn)算可得出軸承的各項(xiàng)性能參數(shù)。

2.2.2 CPR1000主泵電機(jī)推力軸承流場(chǎng)分析

為研究推力軸承運(yùn)行時(shí)推力瓦周邊的油流情況，采用CFD軟件對(duì)主泵推力軸承冷卻油系統(tǒng)進(jìn)行了流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算，其中8塊上推力瓦的流場(chǎng)和下推力瓦的流場(chǎng)趨勢(shì)一致。以兩塊上推力瓦瓦間流場(chǎng)為例進(jìn)行如下分析：

(1) 來(lái)自油箱中的冷卻油從瓦間外端面進(jìn)入流道，一部分冷油在靠近瓦間內(nèi)緣處與來(lái)自軸腔的熱油交匯，流速發(fā)生一定改變，交匯后的油流進(jìn)入到瓦間上部區(qū)域，另一部分油流則從瓦間流道底部繼續(xù)向軸腔方向流去，與軸腔熱油交匯融合。

(2) 瓦間流道內(nèi)的流動(dòng)非常復(fù)雜，為進(jìn)一步掌握瓦間冷卻油的流動(dòng)規(guī)律，將瓦間流道在徑向方向從上到下分為1、2、3個(gè)截面進(jìn)行分析(見(jiàn)圖7)。

圖7 瓦間流道徑向截面

可以看出流道外端面進(jìn)入的油流能較平順的進(jìn)入到瓦間2/3位置處，受推力頭高速旋轉(zhuǎn)的作用在進(jìn)入瓦間流道的同時(shí)會(huì)伴隨著較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從流道徑向截面1和3的速度分布圖中即可明顯看出，靠近推力頭的徑向截面3的與靠近上推軸承座的軸截面1的徑向速度方向相反。

冷熱交替匯合后的潤(rùn)滑油到達(dá)推力頭上軸腔后，推力頭離心力將混合后熱油甩出，在瓦間流道1/3處與推力頭外圓進(jìn)入的冷油對(duì)沖，一部分冷油進(jìn)入推力頭上軸腔，對(duì)沖后混合熱油向上并沿著轉(zhuǎn)子相反方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)入推力瓦上端面φ3 mm孔，測(cè)溫孔潤(rùn)滑油從上推力瓦側(cè)面的φ3 mm孔排出；形成動(dòng)態(tài)的測(cè)溫回路。

2.2.3 華龍一號(hào)主泵電機(jī)推力軸承流場(chǎng)分析

華龍一號(hào)電機(jī)為第三代核電電機(jī)，它的推力瓦兩側(cè)邊沒(méi)有像CPR1000推力瓦那樣有深6 mm凹槽，而該凹槽功能有導(dǎo)流作用。從華龍一號(hào)電機(jī)上推力瓦瓦間流到中間軸面速度分量來(lái)看，各瓦間流道的速度分布基本一致，來(lái)自油箱中的冷卻油從瓦間外端面進(jìn)入流道，一部分冷油在靠近瓦間內(nèi)緣處與來(lái)自上軸腔的熱油交匯，流速發(fā)生較大改變，存在較強(qiáng)的沖擊對(duì)流現(xiàn)象，交匯后的油流進(jìn)入到瓦間上部區(qū)域。與“CPR1000”不同的是，“華龍一號(hào)”瓦間沒(méi)有油流從瓦間流道直接進(jìn)入上部軸腔，從油箱進(jìn)入到上推力瓦瓦間流道中的冷流全部被從內(nèi)端面進(jìn)入的油流阻塞，使內(nèi)端面的熱油(包括上導(dǎo)瓦腔室流入的熱油)不能及時(shí)冷卻，造成上推力瓦溫度偏高。

3 主泵電機(jī)推力瓦溫度差異性分析

3.1 CPR1000電機(jī)上、下推力瓦溫度差異性分析

理論上主泵電機(jī)在空載或一回路低壓時(shí)，下推力瓦溫度應(yīng)高于上推力瓦，但實(shí)際上有少數(shù)電機(jī)是上推力瓦溫度高于下推力瓦。對(duì)于這一差異性我們可以從機(jī)械、流體、測(cè)量這三方面進(jìn)行分析，然后逐一排查找到可能原因，圖8為根據(jù)主泵電機(jī)的結(jié)構(gòu)及功能分析出的可能因數(shù)。

圖8 上推力瓦溫度高可能因數(shù)

3.1.1 機(jī)械方面原因

當(dāng)電機(jī)軸承間隙偏小或與推力頭產(chǎn)生卡澀時(shí)，在下推力瓦承載情況下，可能會(huì)引起上推力瓦溫度比下推力瓦高，因?yàn)檩S承間隙偏小可能會(huì)造成上推力瓦某一塊或幾塊瓦與推力頭摩擦力增大，從而發(fā)熱大；上推軸承卡澀也會(huì)使上推力瓦與推力頭摩擦力增大而發(fā)熱大(注：主泵運(yùn)行時(shí)推力頭不與推力瓦直接接觸，它們的摩擦介質(zhì)為運(yùn)行油；推力軸承能夠自動(dòng)找平)。

從表1 CPR1000電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以看出，冷試25 bar到68 bar上推力瓦溫度基本沒(méi)增加，超過(guò)68 bar后推力瓦溫度隨壓力升高而升高；若上推力軸承發(fā)生卡涉使上推力瓦不能向上移動(dòng)，會(huì)造成上推溫升較大。查詢同一核島另外兩臺(tái)主泵電機(jī)上推力瓦溫升趨勢(shì)一致；且主泵電機(jī)軸承為成熟使用的金斯伯里軸承，能自動(dòng)找平，造成軸承卡澀的幾率很微小，因此軸承卡涉造成上推溫升高可能性小。

查詢?cè)揅PR1000機(jī)組三臺(tái)主泵EOMM完工文件，推力軸承間隙分別為0.40、0.40、0.41 mm，三臺(tái)泵推力軸承間隙相當(dāng)，排除軸承間隙偏小因數(shù)。

3.1.2 流體方面原因

上推力瓦測(cè)溫元件測(cè)的溫度實(shí)為測(cè)溫孔內(nèi)綜合(混合)溫度，測(cè)溫孔內(nèi)的溫度來(lái)源我們可以分為兩部分，一部分是上推力瓦本身的摩擦發(fā)熱，另一部分是通過(guò)φ3 mm小孔進(jìn)入測(cè)溫孔的冷油、熱油混合。

上導(dǎo)瓦的冷卻潤(rùn)滑油由黏滯泵上的兩個(gè)油管供應(yīng)，上導(dǎo)瓦的熱油排出路徑主要分為兩個(gè)，一個(gè)是上導(dǎo)瓦蓋板上的12個(gè)孔，另一個(gè)是推力頭與上導(dǎo)軸承銅環(huán)0.5～0.55 mm環(huán)狀間隙。黏滯泵上的兩個(gè)油管總出油面積約為348 mm2，推力頭外圓與上推軸承間隙取值為0.5 mm時(shí)，整個(gè)環(huán)狀間隙面積約為710 mm2，大于兩進(jìn)油管總面積，理論上黏滯泵上的兩個(gè)油管供應(yīng)的油能夠完全從推力頭與上推軸承座銅環(huán)間隙流出。但由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，阻礙了上導(dǎo)油室熱油向下傳動(dòng)；當(dāng)上導(dǎo)油室油灌滿后，推力頭離心力和黏滯泵供油壓力將使上導(dǎo)油室產(chǎn)生一定壓力，使上導(dǎo)油室更多的熱油能夠沿著推力頭向下，流到推力頭的上軸腔。流入推力頭上軸腔的上導(dǎo)熱油與上推力瓦摩擦產(chǎn)生的熱量綜合混合后進(jìn)入上推力瓦φ3 mm進(jìn)油孔，上推熱電偶測(cè)量溫度即是該綜合溫度，故上推力瓦測(cè)得的溫度比實(shí)際溫度略高。

另外，油冷卻器冷油管道與上部油室的底面距離約300 mm，略高于上推力頭；冷油管道進(jìn)口與上、下推力瓦測(cè)溫瓦距離較接近，且冷油管道有一定傾角，冷油管道的傾角位置差異(油管道為人工焊接)會(huì)影響推力瓦測(cè)溫差異。當(dāng)冷油進(jìn)入軸承腔室后，冷油管角度偏差可能使更多的冷油進(jìn)入下推力測(cè)溫瓦周邊或改變瓦間流道，使下推力瓦測(cè)得溫度偏低；從而使主泵電機(jī)上推力瓦溫度比下推力瓦高。

因此在主泵電機(jī)下推力瓦承載時(shí)，上導(dǎo)熱油流入推力頭上軸腔和冷油管道角度偏差的綜合因數(shù)是上推力瓦溫度比下推力瓦高(或接近)的可能原因。

查詢?cè)揅PR1000機(jī)組三臺(tái)主泵采用相同品牌潤(rùn)滑油，因此可以基本排除流體介質(zhì)差異引起上推溫度比下推高，該因數(shù)可能性較小。

3.1.3 測(cè)量原因

電廠工作人員在得知該CPR1000電機(jī)推力瓦溫度差異情況后，用就地溫度巡檢儀測(cè)量了上、下推力瓦溫度，數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)測(cè)量的相當(dāng)，因此可以排除測(cè)量誤差原因。

根據(jù)熱力學(xué)原理，測(cè)量對(duì)象與測(cè)量設(shè)備的位置關(guān)系與最終測(cè)量溫度呈反比例關(guān)系，即測(cè)溫元件離測(cè)溫對(duì)象距離越遠(yuǎn)，測(cè)量的溫度越低；反之越近則溫度越高。

然而核電主泵(華龍一號(hào)和CPR1000)推力瓦熱電偶裝配目前采用Framatome最新技術(shù)，在測(cè)溫探頭臺(tái)階部位套有一個(gè)絕緣套管，測(cè)溫探頭套上絕緣套管后直接插入推力瓦測(cè)溫孔，這可以保證4件測(cè)溫探頭在上、下推力瓦測(cè)溫孔的插入深度一致性以及探頭不會(huì)與推力瓦測(cè)溫孔壁接觸(見(jiàn)圖9)，因此探頭裝配偏差可能因數(shù)較小。

圖9 測(cè)溫探頭裝配示意圖

綜上，流體介質(zhì)的流道差異可能是CPR1000主泵電機(jī)空載或一回路低壓狀態(tài)下，產(chǎn)生上推力瓦溫度比下推力瓦高(或接近)的原因。

3.2 CPR1000主泵電機(jī)與華龍一號(hào)主泵電機(jī)推力瓦溫度差異

CPR1000主泵電機(jī)空載時(shí)有少部分電機(jī)上推力瓦溫度比下推力瓦高，而華龍一號(hào)電機(jī)在空載時(shí)上推力瓦溫度均比下推力瓦高，且與上導(dǎo)瓦溫度較接近；造成這一差異的根本原因是華龍電機(jī)推力瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異。它的推力瓦兩側(cè)邊沒(méi)有像CPR1000推力瓦那樣有深為6 mm凹槽，而該凹槽功能有導(dǎo)流作用。沒(méi)有6 mm凹槽會(huì)使油箱進(jìn)入到上推力瓦瓦間流道中的冷流全部被從內(nèi)端面進(jìn)入的油流阻塞(見(jiàn)圖10)，使內(nèi)端面的熱油不能及時(shí)冷卻，造成上推力瓦溫度偏高，從而造成上推力瓦溫度均比下推力瓦高。

圖10 介質(zhì)流程示意圖

4 結(jié)論

核電主泵電機(jī)推力瓦溫度差異主要是由于流體方面的介質(zhì)流道影響，以及新一代華龍一號(hào)主泵推力瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同產(chǎn)生。隨著我國(guó)核電站的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大、建設(shè)速度越來(lái)越快，CPR1000主泵國(guó)產(chǎn)化已進(jìn)入尾聲，新產(chǎn)品華龍一號(hào)已穩(wěn)步進(jìn)行；主泵電機(jī)制造、安裝技術(shù)亦日益完善。由于我國(guó)在主泵設(shè)計(jì)制造方面的起步較晚，特別是對(duì)于主泵軸承的設(shè)計(jì)制造及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)較少，機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行監(jiān)控中偶爾會(huì)遇到一些難以理解的困難，我們可從基本結(jié)構(gòu)、功能入手分析，多方面、多角度的思考，只要原因分析正確、思路對(duì)位，問(wèn)題便會(huì)迎刃而解。