赵志明，袁小阳

(1.陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安　710021；2.西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，陕西 西安　710049)



AP1000核主泵水润滑轴承性能仿真

赵志明1，袁小阳2

(1.陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安710021；2.西安交通大学 现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室，陕西 西安710049)

摘要：水润滑轴承技术是制约我国核电设备发展的核心技术，开展AP1000水润滑轴承性能仿真、获得轴承设计技术具有理论和工程价值.给出了水润滑轴承性能分析模型，对导轴承的静态特性和动态特性进行了仿真及分析，获得了不同工况下的轴承静特性和动特性变化规律.结果显示：承载瓦最大水膜压力为0.45 Mpa；当转速升高时水膜厚度增加11微米，判断出导轴承在600 rpm已基本形成水膜，工作转速下已处于全膜润滑状态；轴承动特性系数对转速的变化敏感程度低于载荷的变化.本文工作可为水润滑径向滑动轴承设计提供理论支持.

关键词：核主泵；水润滑径向滑动轴承；静特性； 动特性系数

0引言

在旋转机械中，平衡与定位是两个基本功能需求，前者属于功能实现，后者属于功能保障，而实现功能保障的关键零部件为轴承[1].用于转子定位作用最多的是液体动压轴承，包括滑动轴承和滚动轴承.油润滑滑动轴承在近几十年取得了很多的研究成果，包括润滑理论、润滑材料、性能计算方法以及模拟试验和全尺寸试验等[2-10].油润滑轴承已广泛用于大型发电机组，如汽轮机、燃气轮机及发电机等.针对高速、高效等需求所出现的轴承瓦温超标和轴系振动超标等问题，大轴承的理论和试验研究也不断取得新进展.近年来，核电发电机组的广泛推广，并且正向着高参数发展，机组支承也广泛采用滑动轴承，例如三代核主泵之前，均采用油润滑滑动轴承.这些研究成果对发展滑动轴承具有重要的理论价值.

油润滑滑动轴承具有诸多优点，但在特殊的场合油润滑确极易造成污染，甚至不满足机组运行条件.如引进的AP1000核主泵中的轴承均采用水润滑；船用艉轴支撑轴承也通常采用水润滑；水轮发电机组中也常用到水润滑轴承.水润滑轴承的理论和试验研究近年来取得了较大的进展[11-16].水润滑轴承由于其润滑介质与传统油润滑有较大的区别，轴承设计时需综合考虑多种因素.因此，水轴承的研究具有重要的价值.

AP1000主泵属于三代核主泵.主泵中的支承部件采用水润滑轴承，是核主泵中最关键的部件之一.由于其是核主泵技术引进中隐患最多的部件，受到了国内外学者的广泛关注.尤其是对国内来说，目前AP1000引进技术中只有轴承技术尚未实现消化-再创新，其完全依赖引进，极大限制了我国核电事业的发展.针对该问题，科技部曾于2009年对核主泵关键制造技术立项(973项目)，于2014年立项973项目，滚动支持该内容的进一步研究.核主泵水润滑轴承在复杂的工况下工作有诸多疑难问题：水膜薄、承载力低、在重载下难以形成完全水膜、轴承润滑材料的选择等.因此进行轴承性能分析，获取设计技术是进行核主泵水润滑轴承研究的重要组成部分.

1核主泵及其导轴承基本结构

1.1核主泵基本结构

核主泵又称蔽电机主泵，即反应堆主冷却剂循环泵.它的轴系是典型的立式轴系，相对较为常见的卧式轴系具有更多的新特征.例如目前常见的二代半核主泵-安德列斯核主泵(图1(a)所示)和三代AP1000核主泵(图2(b)所示)，它们的支承部件均包含推力轴承和径向轴承(又称导轴承)，区别在于前者采用油润滑，后者采用水润滑.

(a)Andritz主泵轴系　　　　(b)AP1000主泵轴系图1　常见核主泵轴系

AP1000核主泵转子系统简图如图2所示.可以看出支承轴系的轴承包括水润滑径向轴承和水润滑推力轴承，其中前者为可倾瓦轴承，后者为双向推力轴承.

图2　AP1000核主泵轴系简图

1.2导轴承基本结构

AP1000核主泵轴系的水润滑滑动轴承又称导轴承，是典型的可倾瓦轴承，其简图如图3所示.可倾瓦轴承由于其天然稳定的优势，广泛应用于大型机组中，目前主要用于卧式轴系中.而AP1000导轴承是用于支撑立式转子，具有特殊性.

根据AP1000对导轴承的要求，设计了几种材料的导轴承进行半尺寸轴承试验.本文给出了一种试验用轴承样品如图4所示，是一种五瓦可倾瓦轴承.

图3　导轴承简图

图4　轴承样品

2基本方程

在计算水润滑推力轴承时，针对水润滑这一特性还考虑以下几点：(a)水介质粘度极低，需重点考察推力轴承承载能力及水膜形成情况；(b)水润滑推力轴承瓦面材料的影响，石墨与巴氏合金的不同性质需做定性考虑；(c)理论分析与试验工作的衔接，即理论计算尽量贴近实际试验工况.

2.1广义雷诺方程

对于可压缩流体润滑, 稳态载荷下液膜轴承中流动时满足如下的Reynolds方程[17]:

(1)

U1、V1、W1-径向滑动轴承轴瓦切向、径向和轴向各方向速度分量；U2、V2、W2-径向滑动轴承轴颈切向、径向和轴向各方向速度分量；p-流体润滑状态下油膜压力；U-轴颈表面切向速度；h-流体润滑油膜厚度；μ-润滑介质动力粘度.Kx、Kz分别为紊流润滑系数，可采用常用的紊流模型可分为Ng-Pan、Const、Hirs、青木弘等四种紊流模型.

2.2能量方程

假设润滑介质不可压缩，且不考虑热辐射的影响，工况为定常(∂/∂t=0)时，润滑油膜能量方程的无量纲形[18]为：

(2)

式(2)中：Pe—润滑油流动带走的热量与由于传导而散出的热量之间的关系.

当Pe≫1，传导项可以忽略，得到：

2.3温粘方程

径向滑动轴承中润滑介质的粘度值受温度的影响较大，其随着温度的升高而迅速下降.采用的温粘方程[19]为：

μ/μ0=αeβ(T-T0)

(3)

式(3)中：μ-温度为T时润滑介质粘度；μ0-温度为T0时润滑介质粘度；α、β-温粘系数，通过试验确定的常数；T-轴承实际温度；T0-参考温度.

导轴承在计算时，假定轴承的润滑液为不可压缩牛顿流体，且轴承与轴瓦无变形.采用有限差分法对雷诺方程进行离散，边界条件为Reynolds边界条件.

3结果与分析

3.1轴承参数

性能仿真主要针对课题组已建立的核主泵水润滑轴承试验台中的水润滑导轴承.该导轴承在运行过程中起到了径向定位的功能，因此有必要对其性能进行详细分析.表1～4分别给出了水润滑导轴承的几何参数、物性参数、润滑液物性参数及轴承运行参数.它们是进行导轴承性能仿真时的输入参数.

表1　水润滑导轴承的几何参数

表2　水润滑导轴承的物性参数

表3　水润滑导轴承润滑液的物性参数

表4　水润滑导轴承的运行参数

3.2定载荷定转速下轴承静特性

在载荷4kN，转速为1 500r·min-1时，仿真获得了导轴承的水膜压力分布规律和瓦块温度分布规律.图5给出了承载瓦水膜压力分布规律，可以看出由于所研究的瓦块为主承载瓦，最高水膜压力为0.45Mpa，出现在支点下游、周向32 °附近瓦块轴向中分面的两侧，瓦块最高压力与比压的比值为3.75.图6给出了承载瓦的温度分布规律，从图上可以看出瓦块温度比较均匀.

图5　水膜压力分布

图6　瓦块温度分布

3.3定载荷下轴承静特性随转速变化规律

给出了载荷4kN时轴承关键静特性随转速的变化规律如表5所示.从表5可以看出轴承润滑液流量、功耗及摩擦力均随转速变化呈增大趋势，工作转速(1 500r·min-1)下的流量为23.49L·min-1，功耗为0.166kW，摩擦力为13.23N.当转速从600r·min-1上升至1 800r·min-1时水膜厚度从12.36 μm变化到23.85 μm，增加了约11 μm，可见在600r·min-1已基本形成水膜.由此可见，核主泵水润滑导轴承在工作转速下已处于全膜润滑状态.

表5　载荷4 kN转速变化下的静特性数据

3.4工作转速下轴承静特性随载荷变化规律

仿真分析了工作转速1 500r·min-1下轴承的静特性随载荷变化的趋势，如表6所示.结果显示，流量随载荷变化较小，功耗增加1倍，摩擦力也有所增大.水膜厚度随载荷变化呈减小趋势，当载荷增至10kN时，水膜厚度仅12.63 μm.

表6　转速1 500 rpm时载荷变化下的静特性数据

同时，给出了轴承承载力和最小膜厚随偏心率变化的规律，如图7所示.结果显示，随着偏心率增大，最小膜厚呈线性减小，同时承载力增大，且偏心率越大承载力增长速度越快.

图7　偏心率和承载力关系

3.5定载荷下轴承动特性随转速、载荷变化规律

除了静特性外，还给出了定载荷下的轴承刚度阻尼系数随转速变化的规律，如图8所示；对工作转速下刚度阻尼随不同载荷变化规律也进行了仿真,如图9所示.结果显示，轴承刚度随转速升高缓慢降低，而随载荷升高迅速增大；轴承阻尼随转速升高而趋于平缓，随载荷增大而迅速增大.可见，轴承动特性系数对转速的变化敏感程度低于载荷的变化.因此，针对核主泵这种大载荷、变载荷工况下的转子轴承系统，需对轴承的动特性设计格外关注.

(a)刚度系统

(b)阻尼系统图8　定载荷情况轴承刚度阻尼随转速变化曲线

(a)刚度系统

(b)阻尼系统图9　定转速时轴承刚度阻尼随载荷变化曲线

4结论

(1)针对AP1000核主泵轴系特征，分析了相应的导轴承结构，给出了此种结构的水润滑导轴承性能分析的基本方程，并确定了轴承参数及运行参数，为性能仿真提供了输入参数.

(2)对导轴承的静态特性进行了详细的仿真及分析.获得了定载荷定转速下轴承静特性、定载荷下轴承静特性随转速变化规律以及工作转速下轴承静特性随载荷变化规律.结果显示：承载瓦最大水膜压力为0.45MPa；当转速升高时水膜厚度增加11 μm，判断出导轴承在600rpm已基本形成水膜.工作转速下已处于全膜润滑状态.

(3)对导轴承的动态特性进行了详细的仿真及分析.获得了定载荷下轴承动特性随转速的变化规律，同时获得了动特性系数随载荷的变化规律.结果显示；轴承动特性系数对转速的变化敏感程度低于载荷的变化.

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【责任编辑：蒋亚儒】

Characteristicssimulationofwater-lubricatedjournalbearingsinAP1000nuclearmainpump

ZHAOZhi-ming1,YUANXiao-yang2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi′an710021,China; 2.KeyLaboratoryofEducationMinistryforModernDesignandRotor-BearingSystem,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China)

Abstract:Among the AP1000 technology introduced,water-lubricated bearing technology is the core technology that restricts the further development of nuclear power equipment in China.Therefore,it is of theoretical and engineering value to performance simulation of the water-lubricated bearing of the AP1000 core pump and to obtain the bearing design technology.Considering the AP1000 nuclear main pump shaft characteristics,the corresponding water-lubricated journal bearing structure and the basic equation were given.Static and dynamiccharacteristics of water-lubricated bearing were simulated and analysis.The static and dynamicperformances were achieved.The results shown that the maximum water film pressure was 0.45 Mpa,the thickness of the water film increases by 11 microns when the rotating speed increasing,the water film had been formed in the 600 rpm,and the bearings had been in full film lubrication state with working speed.Bearing dynamic coefficients of speed were sensitive to the change of the speed changing than to the load changing.The work of this paper can provide theoretical support for the design of water-lubricated radial journal bearing.

Key words:nuclear main pump; water-lubricated journal bearings; static characteristics; dynamic characteristics coefficients

*收稿日期:2016-03-17

基金项目：国家自然科学基金项目(51305246); 陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1107); 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ13-07)

作者简介:赵志明 (1981-)，男，山东威海人，讲师,博士，研究方向：运动控制、旋转机械动力学和故障诊断

文章编号：1000-5811(2016)04-0150-06

中图分类号：TH117.1

文献标志码：A