核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展.pdf
《核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.003核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展曾群锋,梁艳(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7 10 0 4 9)摘要:核主泵是核电厂的核心元件,核主泵机械密封在其中起到防止介质泄漏的作用。当前,我国核主泵密封装置相关技术和产品受到国外垄断限制,核主泵摩擦副在运行状态下泄漏严重破坏核电系统的稳定运行和长周期服役,其摩擦学性能直接影响核主泵的运行性能。对于动压式核主泵机械密封,若没有处于完全液膜润滑状态,密封装置会出现异常磨损和
2、泄漏率增大导致核主泵故障。针对核主泵摩擦副的液膜特性,从数学模型计算和软件仿真两方面分析。对温度场、速度场和应力场等进行分析,总结了密封环及副密封材料、端面热变形对摩擦学性能的影响,概述了端面形状的动压润滑机理及波度面、槽型结构和加工方法等因素对摩擦磨损的影响,为核主泵密封性能的提高和可靠运行提供理论基础。关键词:核主泵;动压型机械密封;摩擦特性;液膜特性;端面形状中图分类号:TB42;TH136Research Progress on Tribological Properties of Mechanical Seals for Nuclear Main Pumps(Xian Jiaoton
3、g University Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Abstract:The nuclear main pump is the core component of the nuclear power plant.The mechanical seal of the nuclear main pump plays arole in preventing medium leakage.At present,the related technologies and p
4、roducts of nuclear main pump seal device are restricted by foreignmonopoly.The leakage of nuclear main pump friction pairs in the running state seriously damages the stable operation and long period serviceof nuclear power system,and its friction characteristics directly affect the operation perform
5、ance of nuclear main pump.For the mechanical sealof the dynamic pressure nuclear main pump,if it is not in the complete liquid film lubrication state,the sealing device will appear abnormalwear and leakage rate will increase,leading to the failure of the nuclear main pump.In this paper,the liquid fi
6、lm characteristics of the frictionpair of nuclear main pump are analyzed from mathematical model calculation and software simulation.The temperature field,velocity field andstress field are analyzed,and the influence of thermal deformation of sealing ring,secondary sealing material and end face on f
7、rictioncharacteristics is summarized.The influence of dynamic pressure lubrication mechanism of end face shape,wave surface,groove structure andmachining method on friction and wear is summarized,which provides a theoretical basis for the improvement of sealing performance andreliable operation of n
8、uclear main pump.Key words:nuclear main pump;dynamic pressure type mechanical seal;friction characteristics;liquid film characteristics;end face shape图1所示。为防止核主泵中冷却剂泄漏,机械密封装0引言置在其中起着重要作用。核主泵机械密封采用三级密现代科技和经济水平的快速发展使得对能源的需封方式,每一级密封均被设计承受系统全压,以克服高求越来越大,我国重视在核电事业的发展,以实现更高温、高压和强辐射工作条件下的影响。三道密封串联效地核能利用。在压
9、水堆核电系统中,反应堆冷却剂布置,第一级密封负责控制泄漏,第二级和第三级密封在核主泵的驱动作用下在系统中循环流动并传递热均是摩擦面密封,在三级密封的作用下控制冷却剂向能,核主泵也因此被喻为核电系统的心脏,基本结构如上泄漏。核主泵机械密封属于非接触式机械密封,具有设计难、精度高和检验严格等特点。该种密封又收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 9可以分为流体静压型机械密封和流体动压型机械密封基金项目:国家自然科学基金(5 16 7 5 4 0 9)(图2)。两种密封类型类似,都是由三级密封组成,但作者简介:梁艳(19 9 9-),女,河南郑州人,硕士研究生,研究方是在原理等方面有些差别。由于动压型
10、核主泵密封相向为摩擦学和密封。对于静压型具有泄漏量小、抗干扰能力强和寿命长等15文献标志码:A文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 15-0 8ZENGQun-feng,LIANGYanXian 710049,China)液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期优点2 1,所以当前核电站系统中核主泵的密封倾向于采用动压型机械密封3 。本研究主要针对主泵动压型机械密封,区别于流体静压型机械密封,流体动压型机械密封在其摩擦副端面开设有槽型结构,目前的研究认为存在合成的动静压效应保证摩擦副的运行,从而控制密封介质的泄漏量10-961.飞轮2.电机3.电机轴4.主泵机
11、械密封5.冷却剂出口6.冷却剂人口7.壳8.主泵叶轮9.泵轴电10.冷却器图1核主泵结构12(a)静压型4)32(b)动压型5 1.一级密封2.二级密封3.三级密封图2 核主泵用流体静压型和流体动压型机械密封常用的结构根据对离心泵的运行情况调查,7 0%以上的故障是由于机械密封的失效6 ,主要失效模式是一级机械密封的泄漏量持续增大。因密封失效导致的不仅是设备维修成本后果,而且有能源消耗问题。因密封失效所产生的能源损失,这种损失通常会减小机械设备的1核主泵动压型机械密封摩擦副的液膜特性动压型机械密封利用动环旋转时带动槽内流体运动,产生流体动压效应而在端面间形成一层微米量级的液膜,减小磨损并且延长
12、了工作寿命7 。在运转过程中动压型机械密封存在收敛间隙,密封摩擦副处于全润滑液膜状态下,从而实现密封端面非接触运行,有效控制泄漏量8 。密封摩擦副端面间的润滑液膜特性是影响密封摩擦磨损的关键因素,为保证核主泵机械密封装置正常运行,润滑液膜的状态至关重要。当前国内外学者对密封润滑液膜的特性研究集中在润滑机理、承载能力等方面,通过数学模型计算和数值模拟等方法分析液膜特性对密封性能的影响。51.1建立数学模型计算当前,国内的研究者大多基于Fluent建立几何模型模拟分析核主泵密封液膜压力、温度场等特性。李定等9 基于Fluent对动压型核主泵建立三维传热模3型,分析了液膜的温度场和压力场分布,模拟结
13、果表面液膜在端面槽区内有良好的动压效果和对流换热。向先保等10 基于Fluent对动压型核主泵机械密封建立计算模型,结果表明密封环的液膜压力外径大于内径,压力大小按照径向变化的规律;密封环温升随着液膜厚度的增加而减小,热变形也随之减少但是增大了泄漏量。基于软件仿真模拟的研究虽然可以直观地观察到液膜的压力、温度等变化,但是由于设定边界条件的限制,导致这种分析所产生的结果与实际应用有差别。金乐等 对密封液膜进行了分析计算,使用有限差分法,取密封环的1/12 构建计算微元,基于流量控制方程,求解时考虑JFO空化边界条件:qo+%(rq,)=0+对偏微分方程差分化,得到差分形式的雷诺方程组:Ai.1(
14、1)1.jmaxB11二效率并且降低工作能力。随之产生的是设备的功率损P失,根据统计计算超过了总功率的10%。因此,减少密max,1封介质的泄漏,延长使用寿命,是当前提升核主泵稳定运行能力的关键。本研究从动压型核主泵机械密封的液膜特性和摩擦特性出发,综述了摩擦副材料、端面形状和变形对摩擦特性的影响,为核主泵机械密封的发展提供理论支撑。16Bmax,/maxmax/max核主泵密封在稳定运行时,液膜轴向的力平衡,即开启力Fopeing与闭合力Fclosing相同。基于控制方程式(3),采用Jacobi迭代得到力平衡状态下的液膜厚度式(4):imaxJmax(2)Hydraulics Pneuma
15、tics&Seals/No.4.2024(3)过数值计算后得到不同压差Po下的周向膜厚(图3),1从图中可以看出,随着Po的增大,最小膜厚随之增大。h=Nh(i,j)10-3应用Tallian式(5)可以判断端面的润滑状态,入=当入3 时,密封液膜处于全润滑状态。已知液膜厚度的接触概率,按照式(6)可求得摩擦副端面各点的接触载荷0Pcontact已知液膜厚度h和压力分布p,可得出液膜的低压泄漏率Q:是:Q:=fq,dp=r:J.对密封液膜的评估参数有厚度、表面载荷和泄漏率等,还有些学者研究了液膜刚度,结果表明液膜刚度不足会导致密封故障12 。周思遥等13 对流线槽式动压型核主泵密封计算了液膜刚
16、度、泄漏量等,基于量纲一化处理后的雷诺方程,P)RHaRRR其中,hHho式中,ho一一流体膜厚T。内径Po端面低压侧压力对式(6)采用有限差分法求解,迭代后得出压力分布p,由此计算出刚度K,和泄漏量q等参数:K,=-Ahphp1C2TPdo-2元P,)9In(R/R,)12u式中,R,一一量纲一内径P,一量纲一内压1.2仿真软件模拟对液膜特性的相关参数进行数值计算,在理论层面上可以得出解,后续的验证多数学者采用基于仿真软件更直观地表达出密封液膜评估参数的变化规律的方式,这为实验室验证提供理论基础。密封性能由液膜的状态决定,通过上述数学计算可知,液膜分布压力和液膜厚度有关。王小燕等14 经h(
17、i.j)1(-h)2e2.(0i+02)2m(0i+0)haP)do12uar)r=riKRHFP)(8)一6wurPKToPoAF。JO(4)(5)(6)(7)Poho(9)(10)经过研究发现,这种膜厚的增大是由于端面变形引起的动静压效应增强。543212.0核主泵在运行时,机械密封会产生大量摩擦热,若密封端面温度过高,则可能会导致密封失效,因此许多学者针对接触端面的温度分布规律展开深人研究。宫晓清等15 利用有限元软件建立动压型核主泵机械密封三维传热模型并求解出液膜温度场分布(图4),结果表面动环表面对流换热较好,温度场较低。杨全超等16 通过 ANSYS Fluent软件分析得到了密封
18、腔内介质速度场矢量云图(图5),结果表明液膜内速度场的流体流速从内径到外径依次增大,并且由于涡流效应在内侧流速不稳定,呈波浪状变化。3323323313313.30330329329328328327(a)静环图4 动静环接触端面温度分布15 3.95e+013.76e+013.56e+013.36e+013.16e+012.97e+012.77e+012.57e+012.37e+012.18e+011.98e+011.78e+011.58e+011.39e+011.19e+019.92e+007.95e+005.97e+004.00e+002.02e+004.98e02Velocity Ve
19、ctors Colored By Velocity Magnitude(m/s)图5 密封腔内速度分布矢量云图16 对液膜特性的研究,除了关注到膜厚、温度场和速17Path 1,Po=3.3 MPa4Path 2,po=3.3 MPaPath 1,Po=6.6 MPaPath 2,Po=6.6 MPaPath 1,Po=9.9MPaPath,2,p=9.9MPa1.81.6p/rad图3 不同压差下周向膜厚分布14(b)动环Oct07,2018ANSYSFluent15.0(3d,dp,pbns,ske)1.41.2液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期度场等变化,还有应力场的影响,各种应
20、力引起的端面变形对液膜平衡特性产生一定影响。宋立等17 建立了动压型核主泵密封组件的流固热耦合模型,分析了介质压力对密封性能的影响(图6),结果表明液膜泄漏率随着介质压力的增大而增大,这是由于介质压力增大引起变形增强,流体动静压效果增强,液膜厚度变大,从而增大了泄漏率。18r161412106420动压型核主泵摩擦副的摩擦学特性22.1密封环及副密封材料对摩擦特性影响密封环的运转情况对机械密封的工作性能和寿命有决定性作用,而密封环材料的性能又决定着密封环的运转情况18 。核主泵用机械密封长期处于高温、高压、放射性的环境下工作,因此对其密封材料要求具有高强度和硬度、导热性好、耐热和耐热冲击性强等
21、特点19 1)密封环材料对摩擦特性影响为了解应用在特殊工况下核主泵密封材料的特性,一些学者对材料影响展开了摩擦磨损试验研究。赵星宇等19 采用四对材料进行摩擦实验,从载荷和速度两方面研究不同材料摩擦系数的变化规律。一方面,在相对周向速度保持5.0 7 4 m/s不变的情况下,调整载荷从8 9 N到3 5 6 N,结果表明当载荷增加时,碳化硅和碳化硅对磨、碳化硅和石墨对磨的摩擦系数会随之减小。另一方面,在载荷保持17 8 N不变的情况下,增大周向速度,结果表明在速度增大时,不同配对材料的摩擦系数基本保持不变(图7)。研究表明这四种配对材料,在不同速度下反应烧结碳化硅(R)和R对磨、加碳反应烧结碳
22、化硅(R2)和R2对磨的摩擦系数接近且最小。除了关注到不同密封圈材料对磨在摩擦系数的变化,核主泵密封圈因摩擦磨损导致失效而不利于其在长周期运行,也有学者研究其失效原因。赵永强等2 0 18针对材料为WC-Ni的密封圈通过形貌分析和化学成分分析研究其损伤特性,发现由于密封圈的表面应力差产生的裂纹,在运转过程中又经受摩擦,导致密封圈失效。载荷17 8 N0.24r-WNV2-WNV2-CHV1-CHV1-R-RR2-R20.12一流固热耦合一一纯流体分析510p/MPa图6 介质压力与泄漏率的关系17 0.001图7 水润滑,碳化硅和碳化硅对磨时摩擦系数与周向速度的关系19 2)副密封材料对摩擦特
23、性影响15203周向速度/ms-1在核主泵运转过程中,由于动静环轴线之间产生的角度偏差,使静环及副密封做周期性的高频往复运动。副密封圈的作用是防止介质从间隙泄漏而且使密封环具有浮动性,研究副密封的摩擦性能规律有利于保证动静环主密封端面结构设计在各类工况下的可靠运行2 1 。许多学者也对副密封材料的摩擦磨损进行了研究,以便选择合适的材料减少机械密封故障。刘星等2 2 对材料为三元乙丙橡胶的密封圈进行摩擦磨损测试,分析结果表明在干摩擦条件或脂润滑条件下,保持往复频率不变,摩擦系数跟随往复位移的增大而增大,并且由于润滑脂的作用,脂润滑下的摩擦系数相比于干摩擦下的显著减小,这为后续减少摩擦磨损提供润滑
24、理论基础。杨全超等2 3 研究了水润滑状态下,材料是三元乙丙橡胶核主泵机械密封辅助密封圈的摩擦力测量,得出密封圈在不同往复频率下的摩擦力(图8),图中可以看出往复频率为0.1Hz的密封圈所受摩擦力最小,此时主要是静摩擦,当往复频率逐渐增大时,摩擦力也增大,结果表明,副密封之间的摩擦力相对大,是造成副密封失效的主要原因,但是该研究是在低频下开展实验,核主泵实际运行中副密封往往处于高频的工作状态,缺少实际参考性。丛国辉等2 4 采用耐高温的改性三元乙丙橡胶作为0 形圈材料,保持幅值和压力不变,对核主泵副密封O形圈通过实验研究其处在高频微动状态下的摩擦力(见表1),从表中可以看出频率在2 5 3 0
25、 0 Hz时的摩擦力基本不变,但是在频率达到5 0 0 Hz时,摩擦力增加了1倍,结果表明副密封处于5 0 0 Hz以上的高频振动时,其摩擦状态会发生显著变化。5Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024以上所述均是研究副密封圈的摩擦特性与往复频得密封环端面变形,且动环主要负责传热,为延长密封率的关系,还有学者研究了对0 形圈进行填充改性对环使用寿命,应选择导热系数较好的动环材料。摩擦力的影响。陈侃等2 5 对静环座组件(其中的0 形由于密封端面的变形受摩擦热和机械压力的共同圈填充聚四氟乙烯(PTFE)在不同润滑条件下进行测影响,比较这两种因素产生的变形对摩擦特
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 核主泵用 机械 密封 摩擦 性能 研究进展
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。