核主泵用流体动静压型机械密封的性能研究与端面型槽优化设计

摘要

一座百万千瓦级的压水堆核电站，有各种泵约130种，300台左右，其中反应堆冷却剂泵(ReactorCoolantPump，简写为RCP，也简称为核主泵)属于核I级泵，被称为反应堆安全运行的心脏。轴端机械密封是核主泵的关键部件，主要用于控制反应堆冷却剂沿核主泵泵轴的泄漏，与主泵的安全、可靠运行密切相关。据不完全统计，核电站放射性物质的泄漏原因40％起因于各类阀门密封不严，20％起因于核主泵轴端机械密封或轴承密封故障，其中最典型的事例是1979年美国三厘岛核泄漏事故，其起因就是核主泵轴端机械密封出现故障而引起，这次事故造成的直接经济损失高达7亿美元。目前，我国核主泵密封还完全依赖进口，不仅价格高，而且供货数量上还受限制，国家最高领导层及相关部委对此高度重视。因此，开展核主泵机械密封的设计理论与方法研究，揭示机械密封各结构件之间的协同作用原理与密封机理，准确预测机械密封在高参数状态下的工作模式与规律，研究并开发拥有我国自主知识产权的高参数核主泵机械密封，填补我国核技术领域的空白，从根本上解决目前迫切需要解决的核级密封问题，不仅对我国核电工业的快速与健康发展意义重大，而且对我国国民经济的长期持续发展与社会稳定具有十分重要的实际意义和战略意义。
　　 本文针对目前国内外在役使用核主泵机械密封的结构特点及其在高参数操作条件下易受端面热弹变形影响的工作特点，主要开展密封热-流-固耦合分析，在现有核主泵主型机械密封结构的基础上，发明新型结构并开展相关设计理论与加工制造方法研究。主要研究内容和结论如下:
　　 (1)考虑机械密封端面间密封流体流态的影响及流体粘度随压力与温度的变化，构建了三维稳态传热模型以及端面流体膜压力和密封环温度的控制方程，交叉采用有限元法及有限差分法并基于Matlab软件编制相应计算程序求解了有关方程;基于有限元轴对称变形理论计算密封环的热变形和力变形，对密封进行热-流-固耦合分析，研究了热弹变形对密封性能的影响规律;同时研究了端面温度、热弹变形、端面流体膜平衡间隙等参数随端面表面织构产生的变化规律。
　　 (2)提出了核主泵用双锥面流体静压型机械密封新结构，给出了锥面流体静压型机械密封端面几何参数的统一定义，并对其端面几何结构进行了优化设计;对比分析研究了双锥面与单锥面流体静压型机械密封在高操作参数条件下的密封性能，结果证明了双锥面机械密封具有比传统单锥面机械密封较大的液膜刚度和较高的可靠性，其中端面全加工双锥面机械密封比部分加工双锥面机械密封具有更好的稳定性与可靠性。
　　 (3)研究了不同流态下双锥面流体静压型机械密封的密封性能变化规律，揭示了不同流态下双锥面密封的密封环温度场、端面液膜压力分布和端面液膜刚度的变化规律，以及双锥面密封相比较单锥面密封对流态和端面倾角的敏感度;通过不同流态下摩擦副配对材料对双锥面密封性能影响的研究，证实了目前SiC-SiC、WC-WC和Al2O3-Al2O3三种常用配对副的合理性。
　　 (4)系统对比研究了端面毫微米跨尺度孔对多孔端面机械密封性能的影响，提出并证实了大孔端面机械密封应用于高操作参数条件下核主泵的优势;基于大孔端面的流体动压效应，综合流体静压型机械密封和流体动压型机械密封的各自优点，提出了新型锥-孔组合端面流体动静压型机械密封，证明其相比于双锥面密封不仅具有高开启特性和液膜刚度，而且具有优良的耐磨性，给出了核主泵操作条件下这种新型机械密封端面几何形貌的优选值。
　　 (5)基于密封环的变形可控原理，提出了核主泵流体静压型机械密封端面锥度的设计与加工方法，成功加工出具有较高精度的单锥面机械密封和双锥面机械密封，在此基础上采用激光蚀刻技术加工端面多孔，样品成功用于实验研究。
　　 (6)自主设计并搭建了核主泵用机械密封缩小型试验装置，通过测量端面温度，液膜厚度，泄漏率对核主泵用单锥度、双锥度流体静压型机械密封，锥面-微孔、锥面-大孔、锥面-超大孔组合端面流体动静压型机械密封进行了对比研究，验证了部分理论预测结果，证明了新型双锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封的先进性和可靠性。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 课题来源及意义

1．2 机械密封国内外研究现状

1．2．1 核电站、核主泵及核主泵密封

1．2．2 密封端面的不对中与偏心

1．2．3 流态及惯性效应

1．2．4 端面热流体动压润滑(THD)及热弹性流体动压润滑(TEHD)效应

1．2．5 核主泵密封设计经验

1．2．6 核主泵密封其他研究方向

1．2．7 激光加工多孔端面机械密封理论

1．2．8 端面液膜的空化问题

1．2．9 机械密封实验研究状况

1．3 主要研究内容

第2章 流体静压型机械密封热流固耦合模型

2．1 引言

2．2 数学模型

2．2．1 广义雷诺方程

2．2．2 粘度方程

2．2．3 能量方程

2．2．4 热传导方程

2．2．5 流体速度及兵速度梯度

2．2．6 边界条件

2．3 机械密封的性能参数

2．4 数学模型的无量纲化

2．4．1 广义雷诺方程的无量纲化

2．4．2 粘度方程的无量纲化

2．4．4 热传导方程的无量纲化

2．4．5 流体速度方程和速度梯度方程的无量纲化

2．4．6 边界条件的无量纲化

2．5 热力变形的有限元基本理论

2．5．1 位移模式和插值函数

2．5．2 单元应变及应力

2．5．3 单元刚度矩阵

2．5．4 等效结点载荷

2．5．5 总体刚度矩阵及结点载荷列阵的集成

2．5．6 密封环边界条件

2．5．7 引入位移边界条件和线性方程组的求解

2．6 计算流程

2．6．1 温度场计算流程

2．6．2 压力场计算流程

2．6．3 总程序计算流程

2．7 计算程序验证

第3章 流体静压型机械密封性能研究

3．1 引言

3．2 单、双锥端面流体静压型机械密封性能对比研究

3．2．1 几何模型

3．2．2 计算参数的选择

3．2．3 液膜及密封环温度分布

3．2．4 端面温度和压力分布

3．2．5 端面变形后的端面形貌

3．2．6 压力和转速对密封性能的影响

3．3 双锥面流体静压型机械密封端面优化设计

3．3．1 几何模型

3．3．2 计算参数的选择

3．3．3 台面宽度比ξ1对密封性能的影响

3．3．4 锥度对密封性能的影响

3．3．5 内锥面面宽度比ξ2对密封性能的影响

3．4 流态对双锥面流体静压型机械密封性能的影响

3．4．1 湍流模型

3．4．2 计算参数的选择

3．4．3 流态对端面温度分布及液膜厚度的影响

3．4．4 流态对密封性能的影响

3．4．5 密封环倾角对液膜流态分布的影响

3．5 密封环材料对密封性能影响对比研究

3．5．1 三种材料密封环端面几何形貌优化设计

3．5．2 液膜及密封环温度分布

3．5．3 液膜压力分布

3．5．4 动、静环端面温度分布

3．5．5 密封环变形及液膜厚度比较

3．5．6 介质压力对密封性能的影响

3．6 本章小结

第4章 锥-孔组合端面流体动静压型机械密封性能研究

4．1 引言

4．2 数学模型

4．2．1 几何模型

4．2．2 物理模型

4．2．3 密封性能参数

4．3 斜排微孔端面机械密封富集效应的理论研究

4．3．1 理论模型

4．3．2 计算参数选择

4．3．3 孔栏数对密封性能的影响

4．3．4 倾斜角对密封性能的影响

4．3．5 微孔数对密封性能的影响

4．4 锥面-微孔组合端面机械密封性能理论研究

4．4．1 理论模型

4．4．2 计算参数的选择

4．4．3 低压工况下的密封性能研究

4．4．4 高压工况下的密封性能研究

4．5 孔尺寸对密封性能的影响

4．5．1 理论模型

4．5．2 计算参数的选择

4．5．3 孔径对密封性能的影响

4．5．4 孔深径比对密封性能的影响

4．6 双锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封性能研究

4．6．1 理论模型

4．6．2 计算参数的选择

4．6．3 膜厚较小时孔尺寸对密封性能的影响

4．6．4 膜厚较大时孔尺寸对密封性能的影响

4．7 本章小结

第5章 流体动静压型机械密封性能实验研究

5．1 引言

5．2 核主泵用机械密封试验台设计

5．2．1 设计要求

5．2．2 总体设计方案

5．2．3 试验台整体设计

5．2．4 密封腔的设计

5．2．5 压力系统的设计

5．2．6 温度控制系统的设计

5．3 测量装置的选定及其测量方法

5．3．1 温度传感器的选择

5．3．2 压力传感器的选择

5．3．3 位移传感器的选择

5．4 密封环端面形貌的加工

5．4．1 孔的加工

5．4．2 锥面的加工

5．5 实验研究

5．5．1 几何模型

5．5．2 实验测试参数

5．5．3 实验结果

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果