核电厂循环水泵电机滑动轴承特性分析与优化研究

邓龙杰，郑佳强，齐 军，胡 彪，方奇术，乔彦龙，修振野

核电厂循环水泵电机滑动轴承特性分析与优化研究

邓龙杰1，郑佳强1，齐 军1，胡 彪1，方奇术2，乔彦龙2，修振野2

（1. 山东核电有限公司，山东 海阳 265116；2. 国家电投集团电站运营技术（北京）有限公司，北京 112209）

循环水泵是核电厂三回路循环冷却水系统中的关键设备，直接关系到核电厂冷却水的顺利输送，进而影响核电厂安全、可靠和经济运行。该循环水泵电机滑动轴承具有低转速（197 r/min）、大比压（4.26 MPa）的技术特点，针对轴承在额定工况、超速工况进行润滑计算，分析不同工况下油膜厚度、油膜温度情况，根据计算结果对轴承结构及材料进行优化设计与分析。结果表明，结构优化后额定工况推力轴承油膜厚度提升至0.016 mm，安全裕量增大。

循环水泵电机；滑动轴承；润滑计算

滑动轴承结构简单，承载能力强，具有良好的抗振性能以及更长的工作寿命，在各种类型旋转机械中得到广泛应用。某三代先进压水堆核电厂单机组海水循环冷却水系统布置有三台循环水泵，为核电厂提供最终热阱，循环水泵电机上下轴承采用滑动轴承，作为电机的重要组成部分，要承担电机转子，泵转子、水推力等载荷，对电机的转子动力学特性、电机寿命、可靠性等产生重要影响。针对滑动轴承的润滑特性和结构分析和研究很多。史庆峰等[1]针对推力轴承可倾瓦进行了油膜失稳引起的自激振动机理分析，仲维滨等[2]利用流体动压润滑理论研究不同转速下油膜厚度和油膜刚度的变化，陈志澜等[3]运用三维热弹流润滑性能分析软件计算了不同瓦面形状的推力轴承的油膜厚度、油膜压力和油膜温度，并提出优化有结果，李元生等[4]，李强等[5]分别利用滑动轴承动力特性系数动态方法和变流域动网格计算方法对滑动轴承的动力特性进行分析计算。本文对国内某三代核电站海水循环水泵电机滑动轴承特性进行了分析，并对轴承结构及材料进行了优化研究，提高轴承运行可靠性，制定了轴承可靠性试验验证方案及台架设计。

1　轴承结构特点

循环水泵电机所用的轴承分为“上推力径向复合轴承”和“下导向滑动轴承”，电机结构布局如图1所示，轴承主要作为滑动约束，支撑转子轴系在电机的磁场中保持高效转动。

图1　循环水泵电机轴承布置示意图

上推力径向复合轴承是立式推力导向联合轴承，主要结构包括推力头、推力瓦、冷却管、导瓦、挡油套管、底座等。轴瓦采用扇形瓦、可倾瓦式设计，推力瓦背面为线支撑，可以在运转时自动倾斜，使瓦块表面与推力盘平面之间建立动压油膜。其主要作用是通过推力头将轴向力传导到推力瓦块，主要部件材质如表1所示。

下导向滑动轴承的作用是连接旋转主轴，将径向力传导到导瓦块；导瓦提供径向支撑，保证轴系的径向窜动在磁隙允许偏差范围内转动。径向负载由浇铸巴氏合金的可倾瓦支撑，支撑结构为线支撑。下导向滑动轴承主要零部件材料如表2所示。

轴承基本运行参数如表3所示。

表2　立式导向滑动轴承材料

续表

序号名称材质 6挡油筒钢 7兜板铝合金 8导瓦固定块钢 9导瓦钢 + 巴氏合金 10肩挡铝合金 11防尘密封毛毡 12刷子密封铝合金 + 塑料

表3　轴承基本运行参数

2　轴承运行特性分析

循环水泵电机轴承运行工况如表4所示，在额定工况下，转速较低（197 r/min）、比压大（4.26 MPa），属于低速重载，此种工况下具有在轴承应用上有着动压油膜薄，油膜局部温度高的特点，油膜处于允许运行标准的边缘状态，所以此轴承的安全运行是保障电机可靠性的关键问题。

表4　轴承运行工况参数

续表

上推力导向滑动轴承工况下导向滑动轴承工况 额定转速/（r/min）197超速转速/（r/min）246 超速转速/（r/min）246径向面积/mm246 000 推力载荷/kN357径向比压/MPa0.1 正常连续推力载荷/kN820功耗/kW0.4 反转推力载荷/kN970 推力面积/mm2185 344 正常比压/MPa4.26 径向载荷/kN4.7 径向面积/mm274 375 径向比压/MPa0.063 功耗/kW5.4

通过轴承专用计算软件DLAP对轴承各工况（额定工况、超速工况）下轴承的压力场、油膜场、温度场、油膜刚度、阻尼等进行计算分析，计算结果应保证油膜厚度不小于最小油膜厚度，最高油温低于许用温度，计算过程如图2所示。

图2　轴承润滑计算流程

Fig.2 The bearing lubrication calculation process

针对轴承运行和工况参数，在额定工况、超速工况下滑动轴承轴瓦润滑的计算结果如图3、图4所示，相关计算数值如表5所示。

由表5看出上下轴承在额定、超速工况下，可在允许范围内安全运转，且转速越高油膜越厚。根据RENK使用手册许用温度为110 ℃和许用油膜厚度为0.012 mm，上、下导瓦油膜温度小于许用值，其安全裕度较大；推力瓦的温度远低于许用值，但油膜厚度在额定转速下已处于设计准则的边界，安全裕度较小。

图3　额定工况下轴承润滑计算结果

图4　超速工况下轴承润滑计算结果

表5　轴承润滑计算结果

续表

额定工况超速工况 上部推力轴承 最小油膜厚度/mm0.0120.013 轴承损耗/kW4.426.36 油膜温度/℃5051.2 总损耗/kW5.858.55 下部径向轴承 最小油膜厚度/mm0.0580.058

续表

额定工况超速工况 功耗/kW0.3920.392 油膜温度/℃53.753.7 总损耗/kW0.4920.592

从以上计算结果来看，该型滑动轴承在低速重载工况下有动压油膜薄，油膜局部温度高的特点，油膜处于允许运行标准的边缘状态，此轴承的安全运行是需要考虑的关键问题。

3　轴承结构优化分析

针对推力轴承运行裕度不高的情况，对推力轴承结构及材料进行设计优化及选材优化，以提高轴承运行的安全性和可靠性。

3.1　推力轴承结构设计优化

目前中、大型立式电机推力轴承，一般采用可倾推力瓦，按照支点形式划分，分为“点支撑”“线支撑”，按支撑形式划分，又可分为“刚性支撑”“弹性支撑”两种，根据线型刚性支撑瓦块计算结果，在结构设计上将支撑结构由线型刚性支撑改为弹性支撑，并对瓦块的支点及尺寸做出调整，如图5所示。

图5　弹性支撑推力瓦

另外改善轴承的低速性能，将瓦面材料改进为“PTFE”材质，此材质制造的推力瓦块有着耐受低速重载的特性[6]，其最大静摩擦系数为0.15而合金瓦块的最大静摩擦系数为0.29[7]，在节能的同时增加安全裕度，另外在轴承瓦面可以采用“微结构塑形”的方法，增加瓦面在薄油膜的储油能力，以提高轴承的安全性及可靠性。

根据优化后的瓦块进行润滑计算，额定工况、超速工况下的，计算结果分别如图6、图7所示。相关计算数值如表6所示。

图6　优化后轴承额定工况计算结果

图7　优化后轴承超速工况计算结果

表6　优化后轴承润滑计算结果

从计算结果上，在额定工况、超速工况下，优化后推力瓦油膜厚度更厚，其瓦温更低，功耗略有提升，但可靠性有所提升。

3.2　轴承支撑部件材料优化

根据实际应用经验，进行轴承主要支撑部件材料的优化，并对主要零部件的受力进行分析计算。

上导瓦受力分析如图8所示，其主要承担上推力径向复合轴承运转过程中产生的4.7 kN径向力，导瓦主体材料选用20钢。

推力瓦受力分析如图9所示，其主要承担上推力径向复合轴承运转过程中产生的最大121.3 kN轴向力，推力瓦轴瓦主体材料为20钢。

推力头受力分析如图10所示，其主要承担上推力径向复合轴承运转过程中产生的最大970 kN轴向力，轴瓦主体材料为35钢。

滑转子受力分析如图11所示，其主要承担下部导向轴承运转过程中产生的4.7 kN径向力，轴瓦主体材料为35钢。

图8　上轴承导瓦

图9　上轴承推力瓦

图10　上轴承推力头

图11　下轴承滑转子

计算结果如表7所示。通过应力分析计算，主要的轴承承载零部件在承受载荷下，其最大应力小于材料许用应力，满足强度要求。

表7　轴承承载部件受力分析结果

4　轴承可靠性试验验证方案

轴承可靠性试验验证需要做三次试验，试验内容如表8所示。其额定工况、超速工况、反转工况最大载荷为970 kN，需要采用大载荷的加载器，采用先转动，到达目标转速后底部加载的方式，试验台示意图如图12所示。

表8　轴承可靠性试验内容

图12　转速-载荷试验台

耐久启停试验，在启动时转轴加速度需要模拟电机的“启动曲线”，其启动力矩加大，转速低，需要配备减速箱对驱动电机降转速，提升启动力矩的方法启动，并且最大启动力矩为22 900 N·m（357 kN时），采用降低一半的瓦块数，保证同样的启动比压来进行试验，试验台示意图如图13所示。

图13　耐久启停试验台

5　结论与建议

通过分析某核电厂海水循环泵电机轴承结构特点、运行参数，通过润滑计算、对轴瓦进行润滑特性分析，并针对运行可靠性，进行了结构及材料优化。

（1）轴承在额定工况、超速工况下，轴承上、下导瓦的油膜厚度和油膜温度能够满足许可条件，且安全裕度较大，推力瓦的最小油膜厚度在设计准则下限，安全裕度不大。

（2）对轴承推力瓦、导瓦进行结构优化，由“线型刚性支撑”改为“弹性支撑”，瓦面材料改进为“PTFE”材质，并对瓦块的支点及尺寸作出调整，经过计算，优化后推力瓦瓦块油膜厚度增加，可靠性提升。

（3）根据实际应用经验，对轴承支撑零部件主体材质进行优化，并通过受力计算，优化后材质能够满足要求。

（4）优化后轴承试验验证方案需要进行三种工况运行试验，以验证其能够满足轴承可靠性试验要求。

［1］ 史庆峰. 大型核电汽轮机推力轴承油膜失稳振动研究［J］. 动力工程学报，2019，39（06）：512-516.

［2］ 仲维，李藏雪，王伟光，等. 核电站海水循环水泵电机推力轴承研究［J］. 黑龙江大学工程学报，2017，8（4）. DOI：10.13524/j.2095-008x.2017.04.060.

［3］ 陈志澜，袁小阳，王海林，等. 推力轴承瓦面形面对润滑性能影响的研究［J］. 摩擦学学报，2003，23（1）：56-59.

［4］ 李元生，敖良波，李磊，等. 滑动轴承动力特性系数动态分析方法［J］. 机械工程学报，2010，46（21）：48-53.

［5］ 李强，许伟伟，王振波，等. 滑动轴承动力特性的数值计算方法［J］. 中国石油大学学报（自然科学版），2014，38（5）：165-171.

［6］ 焦云迪，黄敏，王小静，等. PTFE瓦推力轴承实验研究［J］. 工业控制计算机，2016，29（8）：68-69.

［7］ 黄彧，王文东，黄炜，等. 聚四氟乙烯在滑动轴承中的应用［J］. 有机氟工业，2020（4）：47-5.

Characteristic Analysis and Optimization Study on the Sliding Bearing of the Circulating Water Pump Motor in Nuclear Power Plant

DENG Longjie1，ZHENG Jiaqiang1，QI Jun1，HU Biao1，FANG Qishu2，QIAO Yanlong2，XIU Zhenye2

（1. Shandong Nuclear Power Co，Ltd，Yantai of Shandong Prov. 265116，China；2. SPIC Power Station Operation Technology（Beijing）Co.，Ltd，Beijing 112209，China）

Thecirculating water pump is the key equipment in the three-loop circulating cooling water system of nuclear power plant. It is directly related to the smooth transmission of cooling water in nuclear power plant, and then affects the safety, reliable and economic operation of nuclear power plant. The sliding bearing of the circulating water pump motor has the technical characteristics of low speed (197 r/min) and high specific pressure (4.26 MPa). Lubrication calculations are carried out for the bearing under rated and overspeed conditions, and the oil film thickness and oil film temperature under different working conditions are analyzed. The results show that after the structure is optimized, the oil film thickness of the thrust bearing under the rated working condition is increased to 0.016 mm, and the safety margin is increased.

Circulating water pump motor; Plain bearing; Lubrication calculation

TL48

A

0258-0918（2023）05-1041-08

2022-08-01

邓龙杰（1988—），男，湖北襄阳人，学士，现主要从事核电厂转机类设备维护管理工作及相关优化研究