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 618000)

0 引言

本文所述核電主泵采用三軸承結(jié)構(gòu)，承受來自轉(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(華龍一號電機(jī)為熱電阻)作為測溫元件組成測量系統(tǒng)。通過核電廠的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、潤滑油共同作用產(chǎn)生動壓效應(yīng)，建立油膜，潤滑油與推力頭、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，而華龍一號主泵電機(jī)在空載過程中溫度均是上推力瓦高于下推力瓦，因此本文對主泵電機(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(見表1)。

表1 某CPR1000主泵電機(jī)與某華龍一號主泵電機(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變化，上、下推力瓦溫差擴(kuò)大約6 ℃；說明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)華龍一號電機(jī)上、下推力瓦的溫度差異性更大。

1 軸承裝配及其測溫原理

測溫元件按照設(shè)計(jì)要求合理地分布在上部軸承軸瓦中，主泵電機(jī)采用的是能自動找平的金斯伯里(Kingsbury)型推力軸承和可傾斜式的導(dǎo)軸承(見圖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;它的冷卻潤滑由自身油泵通過兩個(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氧化鎂高壓套管內(nèi)，套管不銹鋼牌號為Z 2CND 1712。采用熱對接焊縫完全包在無機(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“熱電效應(yīng)”將溫度變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。裝配時(shí)，將φ3 mm的熱電偶探頭端裝配到φ8 mm推力瓦測溫孔內(nèi)(見圖3)，并通過NPT螺紋鎖定在推力瓦上，且要求熱電偶頂部與測溫孔底部不能接觸，有10 mm間隙(CPR1000和華龍一號電機(jī)測溫結(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溫孔接觸)。

圖3 測溫元件裝配示意

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。測溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)來自于一個(gè)成熟的主泵電機(jī)軸承設(shè)計(jì)程序，它是通過評價(jià)軸瓦軸襯溫升、軸瓦油膜溫升和油槽溫升等因素來綜合評價(jià)軸承軸瓦的溫度。使用這個(gè)程序設(shè)計(jì)的推力軸承，主要評價(jià)要素集中在軸瓦的平均溫度上(通過測溫孔測量)。圖4簡要地定性展示了軸瓦溫度測量技術(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)推力軸承流場分析

2.1 推力瓦測溫結(jié)構(gòu)介紹

推力瓦測溫元件測得的溫度實(shí)為推力瓦測溫孔內(nèi)潤滑油的平均溫度，而測溫孔內(nèi)的潤滑油是通過在推力瓦上兩個(gè)互為90°的φ3 mm孔形成回路通道(見圖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(見圖6)；另一個(gè)φ3 mm孔在推力瓦上端面靠近外圓弧面長度方向上約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 測溫孔流道示意圖

2.2 推力軸承流場分析

2.2.1 計(jì)算程序簡介

流體潤滑軸承性能計(jì)算通常用數(shù)值法求解，經(jīng)過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軟件對主泵推力軸承冷卻油系統(tǒng)進(jìn)行了流體動力學(xué)計(jì)算，其中8塊上推力瓦的流場和下推力瓦的流場趨勢一致。以兩塊上推力瓦瓦間流場為例進(jìn)行如下分析：

(1) 來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)的流動非常復(fù)雜，為進(jìn)一步掌握瓦間冷卻油的流動規(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)會伴隨著較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，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)入的冷油對沖，一部分冷油進(jìn)入推力頭上軸腔，對沖后混合熱油向上并沿著轉(zhuǎn)子相反方向運(yùn)動進(jìn)入推力瓦上端面φ3 mm孔，測溫孔潤滑油從上推力瓦側(cè)面的φ3 mm孔排出；形成動態(tài)的測溫回路。

2.2.3 華龍一號主泵電機(jī)推力軸承流場分析

華龍一號電機(jī)為第三代核電電機(jī)，它的推力瓦兩側(cè)邊沒有像CPR1000推力瓦那樣有深6 mm凹槽，而該凹槽功能有導(dǎo)流作用。從華龍一號電機(jī)上推力瓦瓦間流到中間軸面速度分量來看，各瓦間流道的速度分布基本一致，來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”瓦間沒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。對于這一差異性我們可以從機(jī)械、流體、測量這三方面進(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增加，超過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，會造成上推溫升較大。查詢同一核島另外兩臺主泵電機(jī)上推力瓦溫升趨勢一致；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。

查詢該CPR1000機(jī)組三臺主泵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

上推力瓦測溫元件測的溫度實(shí)為測溫孔內(nèi)綜合(混合)溫度，測溫孔內(nèi)的溫度來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φ3 mm小孔進(jìn)入測溫孔的冷油、熱油混合。

上導(dǎo)瓦的冷卻潤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；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，上推熱電偶測量溫度即是該綜合溫度，故上推力瓦測得的溫度比實(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)會影響推力瓦測溫差異。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)入下推力測溫瓦周邊或改變瓦間流道，使下推力瓦測得溫度偏低；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。

查詢該CPR1000機(jī)組三臺主泵采用相同品牌潤滑油，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量了上、下推力瓦溫度，數(shù)據(jù)與DCS系統(tǒng)測量的相當(dāng)，因此可以排除測量誤差原因。

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

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

圖9 測溫探頭裝配示意圖

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。沒有6 mm凹槽會使油箱進(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主泵推力瓦的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同產(chǎn)生。隨著我國核電站的建設(shè)規(guī)模越來越大、建設(shè)速度越來越快，CPR1000主泵國產(chǎn)化已進(jìn)入尾聲，新產(chǎn)品華龍一號已穩(wěn)步進(jìn)行；主泵電機(jī)制造、安裝技術(shù)亦日益完善。由于我國在主泵設(shè)計(jì)制造方面的起步較晚，特別是對于主泵軸承的設(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、思路對位，問題便會迎刃而解。