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屏蔽泵能耗的研究
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航天生命保障系统中微型高速循环冷却泵设计
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&&&一些关于反应堆冷却剂泵的知识
　　第一节
　　1 功能
　　反应堆冷却剂泵(简称主泵)的功能是使冷却剂形成强迫循环，从而把反应堆中产生的热能传送至蒸汽发生器，以产生蒸汽，驱动汽轮机做功。
　　2 基本要求
　　反应堆冷却剂泵是压水堆核电厂的关键设备之一，也是反应堆冷却系统中唯一的回转机械设备，对它的基本要求是：
　　能够长期在无人维护条件下安全可靠地工作;
　　便于维修，辅助系统简单;
　　主泵转动组件应能提供足够转动惯量，以便在全厂断电情况下，利用主泵惰转提供足够流量，使反应堆堆芯得到适当的冷却;
　　过流零部件表面材料要求采用奥氏体不锈钢，或其它同等耐腐蚀的材料;
　　带放射性的冷却剂的泄漏要少。
　　3 反应堆冷却剂泵的分类
　　反应堆冷却剂泵可分为两大类：屏蔽泵和轴密封泵。
　　由于主泵以高温、高压、带有放射性的水作为工质，早期的压水堆动力装置采用了屏蔽泵以解决密封问题。屏蔽泵又称无填料泵，泵的叶轮和电机转子连成一体，并装在同一只密封壳体内，因此消除了冷却剂外漏的可能性。这种泵在核动力舰艇上早已使用，经验证明其工作是安全可靠的。美国、苏联、法国的早期核电厂也曾使用屏蔽泵，但是存在以下问题：
　　屏蔽泵效率低。一般泵组效率只有50%~70%，例如法国舒慈核电厂主泵效率为66%，苏联于1973年建成的伏龙涅什电站三号机组，主泵效率仅52%。对于大容量核电机组来说，显然不够经济。
　　屏蔽电动机大部分零部件使用耐腐蚀材料制造，造价昂贵，难度较高。
　　屏蔽电机若装设飞轮，液体的阻力将使泵机组效率降低到不可接受的程度，因此，屏蔽泵转动惯量通常很小。为了保障反应堆安全，采用屏蔽泵的核电厂，必须对主泵供电的可靠性作更严格的要求。
　　维修不方便。
　　鉴于以上理由，屏蔽泵一般应用于容量较小的核能动力装置。据1980年资料，最大的屏蔽泵功率为2260 kW。但也有人建议对屏蔽泵进行改进以用于常规锅炉及核电厂，例如有人提出采用湿定子的屏蔽泵，电机转子绕组使用特制的塑料绝缘导线绕成，水在电动机绕组间循环以加强冷却，由于没有屏蔽套，它的效率比一般屏蔽泵高，但因转子阻力大，仍比常规电机为低。
　　随着对核电厂安全性和经济性要求的提高，并为适应大容量机组的要求，轴密封泵技术已趋成熟，它具有下列优点：
　　采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高。轴密封泵的效率一般比屏蔽泵高10%~30%。
　　电机部分装设一只很重的飞轮，因而大大提高了机组的惰转性能，提高了发生全厂断电事故时反应堆堆芯的安全性。
　　轴密封技术可以同样严格控制泄漏量，把安全壳的泄漏量控制在200 左右。
　　维修方便，轴密封结构更换仅需十小时左右。
　　轴密封泵自1965年第一次作为压水堆核电厂主泵使用以来，已经迅速取代了屏蔽泵的地位。但是，在某些场合下，例如舰船核推进，金属钠冷快堆，某些试验研究堆等，屏蔽泵仍起重要作用。
第二节反应堆冷却剂泵的典型结构
1 屏蔽式反应堆冷却剂泵示例为美国核潜艇号核动力装置使用的反应堆冷却剂泵。该泵输送压力为的冷却剂，在时流量为，扬程为。该泵由装在一个能承受系统全部压力的密封容器内的屏蔽电机驱动。电机的定子绕组按常规结构制造，用一层薄的屏蔽套使电机线圈隔离，因此电机定子是干的，没有放射性元素对线圈带来的危险。屏蔽套一般用因科镍（）或哈斯特罗（）合金制造。由于转子浸没在液体中，回转阻力高以及屏蔽套有涡流损失，因此效率较低。转子由两只径向轴承及一只止推轴承支承。轴承由特种石墨制成，并由辅助工作轮使冷却剂通过电动机的间隙，径向与止推轴承构成强制循环，以此进行润滑和冷却。电机内所产生的热量通过盘管式热交换器，由低压的设备冷却水导出。2 轴密封式反应堆冷却剂泵压水堆核电厂采用的轴密封式主泵一般为立式单级离心式或混流式泵。美国西屋公司是反应堆冷却剂泵的主要制造厂之一，它所生产的三种典型主泵的工作参数如表所示。
表西屋公司三种典型主泵的主要参数
额定流量，
额定流量时的扬程，
额定效率，
铸件重量，
铸件直径，
出水管口位置
临界速度，
标准转动惯量，
电机额定功率，
同步转速，
以德国公司为代表的反应堆冷却剂泵与西屋公司的产品基本结构形式不同。上述两种典型产品的基本结构比较如下：第一种结构（西屋型）：主要特征是泵轴与电机轴刚性联结。转轴部件由三支点支承，推力轴承置于顶部，并与电机的高位径向轴承相结合。这种型式的优点是结构紧凑，机组高度低。但对电机轴和泵轴的对中要求十分严格。第二种结构（型）：主要特征是泵轴与电机轴柔性联结。机组转轴分为三段电机轴、泵轴及传动轴（或称主推力轴承轴），泵轴与传动轴之间则用刚性联结。因此共有五只径向轴承及两只推力轴承（主推力轴承及在电机顶部的辅助推力轴承）。这种型式的主要优点是泵轴及电机轴的对中要求有所降低。在检修轴密封时，只需拆开泵轴与传动轴之间的刚性联轴器，用推力轴承自备的油压千斤顶将推力轴承整体顶起，不需拆下电机即可检修或更换轴密封。这种型式的缺点是机组较高，推力轴承的负荷稍大。除支承系统外，这两种型式主泵的大部分部件相似，现以公司的型主泵为例，说明结构特点。该泵用于秦山核电厂，为立式、单级、导叶式混流泵（国外有时也称离心泵）。其主要设计参数见表。
表秦山核电厂主泵设计参数
泵电机总效率
电机额定功率
电机额定电流
）泵壳泵壳由低合金钢整体锻造而成，内表面堆焊超低碳不锈钢。泵壳是主系统承压边界的一部分，其壁厚应能承受在事故工况下由接管传递的各种载荷。即除考虑设计状态外，还应考虑事故工况下的最高工作压力、温度瞬态、地震载荷、管道破裂等各种载荷。在疲劳方面应对泵在设计寿期内交变应力范围作出估计，并进行疲劳强度分析。其结果均应满足锅炉及受压容器规范第篇核一级部件的要求。关于泵壳最佳形状，美国、德国根据分析及试验资料，认为球形泵壳、径向出水的设计方案与传统的涡壳形泵壳、切向出水的方案相比，虽然水力效率较低，但相差甚微，而带来的优点是设计强度高，工艺简化，易于作探伤及产品质量检查。泵壳材料，以美国西屋公司为代表的厂商采用型不锈钢铸件。由于整体铸造工艺困难，过去国外用三块铸件拼焊，年日本铸出第一只不锈钢整体泵壳，重量约。）转轴部件泵轴由径向轴承（导轴承）及推力轴承支承。其中泵轴靠叶轮上方的是水润滑导轴承，由于水的润滑性能差，而且水的粘度随温度的升高而降低，因此润滑轴承的水温一般应控制低于，它由内部的冷却回路冷却。轴承箱中装有上、下推力轴承及两只油润滑的导轴承。推力轴承能承受双向轴向力。由于主泵转速高，推力轴承功耗可达左右。为防止轴瓦温度过高，在润滑方式上采取了周密措施。两只油润滑导轴承分别位于推力轴承的上、下方，它们使轴系有足够的刚度。在泵轴穿过冷却剂系统的承压边界处，采用三级相同的串联布置的动压密封。为了补充受控泄漏流（约）和防止主冷却剂进入轴密封区域，需由化容系统提供注入水（约）。公司设计的特点是：即使注入水断失，高压密封水冷却器仍有能力冷却来自主系统的泄漏液。泵轴和传动轴靠刚性端面齿联轴器联结。这种型式的联轴器，在更换轴密封部件或碳质轴承后，能保证轴系具有良好的对中重现性。总之，转轴部件结构复杂，是保障主泵机组可靠性的关键部件之一。）飞轮对现有主泵机组来说，飞轮都装在电机内。当发生断电事故时，飞轮是关系反应堆安全的重要因素，他的破坏将带来严重后果，因此，飞轮采用优质锻钢制成，并经过超声波探伤检查。飞轮的主要功用是增加转轴部件的转动惯量，在断电事故时，维持反应堆冷却剂系统内必要的惯性流量，随后依靠自然循环，进一步带走反应堆衰变热量，以确保堆芯安全。主泵转轴部件的功能与它的转动惯量及转速平方成正比，主泵惰转时间特性主要取决于主泵机组转动惯量。）电动机主泵通常采用恒速鼠笼式感应电动机驱动。电压为或，主泵同步转速在用电源时通常取，用电源时通常取。与普通立式电动机相比，主泵用电动机在某些方面提出了更严格的要求。例如，对电机绝缘提出特殊要求，由于安全壳内环境温度、湿度较高，且具有一定环境放射性水平，因而电机材料均应经过辐照性能试验。此外，主泵电机要求充分通风冷却，一般采用空冷，再用设备冷却水来降低电机的排风温度。综上所述，应用于核电厂的冷却剂泵，不仅结构复杂，而且工作条件苛刻，技术要求严格。为保证主泵长期可靠运行，研制的样机不仅要在全尺寸主泵试验回路上进行长期的考核运行，而且要模拟核电厂实际条件，进行规定的异常工况试验，例如冷却水断失试验，注入水断失试验等。用户还要求提供泵在冷态和热态运行条件下的性能曲线，以及启动和惰转性能曲线。
　　第三节
　　反应堆冷却剂泵的轴密封结构
　　主泵是反应堆冷却剂系统中唯一的回转机械设备。旋转的泵轴与固定的泵壳间的密封装置，用以限制高温高压带放射性的冷却剂箱安全壳的泄漏。
　　对高压设备而言，密封是一项重要的技术，通常分为静密封及动密封两大类。最常用的静密封是填料密封，填料可选用含氟塑料，柔性石墨及石棉等。但对于反应堆冷却剂泵而言，无论从密封性能指标，从保持冷却剂系统特殊的清洁度要求以及维护条件等角度来看，常规的填料式密封都是不可接受的，反应堆冷却剂泵广泛应用的是机械密封技术，机械密封可分为静压式和动压式两种。
　　典型结构
　　反应堆冷却剂泵轴密封采用几种密封型式并按照不同组合方式串联而成。
　　在主泵中流动的冷却剂温度高达300 ，必须防止高温冷却剂进入轴密封区。来自化学与容积控制系统的高压低温的轴封水，其压力较主泵内冷却剂压力高0.3&0.4 MPa，温度低于65 。轴封水引入泵腔后分为二路，一路向下进入主回路，起隔离液的作用;另一路向上，依次进入一、二、三级轴密封。为防止因轴封水故障而导致冷却剂直接流入轴密封结构，在泵叶轮上部设有热屏换热器。当轴封水断失时，泄漏的冷却剂首先通过热屏换热器并被设备冷却水冷却到65 以下，然后再进轴密封区。
　　西屋公司主泵轴密封由三级组成，并依次称为一号、二号、三号密封。
　　一号密封：静压密封，密封两边压差约为15 MPa，正常泄漏量约为0.7 。端面间液膜由通过密封的系统压降建立，而不依赖于泵轴转动，泄漏流量自径向向内流往泵轴，再转向二号轴封。
　　二号密封：普通机械密封，接受来自一号密封的泄漏流量，正常工作时压差约0.3 MPa。在一号密封失效情况下，二号密封能短时间在系统全压差条件下工作，此时，密封件寿命缩短，但可以按预定程序停闭反应堆而不发生大量泄漏。
　　三号密封：普通机械密封，在密封压差约为0.1 MPa时工作，向安全壳的泄漏量约100 。
　　德国KSB公司生产的某型主泵的密封亦由三级组成，但设计原则与西屋公司有所不同。
　　一号密封及二号密封：结构相同的静压密封，在正常运行时，各承受主系统压力的一半。二号密封后的压力约为0.3 MPa，当其中任一只密封失效时，另一只可以承受系统压力正常运行，因而二者互为备用。
　　三号密封：普通机械密封，其泄漏量小于或等于250 。
　　应当说明，近年来由于轴密封可靠性不断提高，普遍认为两级密封即可满足要求。日本三菱公司研制的主泵，其三号密封在正常运行时是悬开的，仅在一号密封失效后才自动合上。三号密封仅起后备作用，但是提高了主泵运行的可靠性。