核主泵用动静压波度机械密封机理

核反应堆主泵主轴密封形式多样,动静压结合型波度机械密封是Andritz核主泵主轴密封结构形式,其特征在于密封端面为径向锥度和周向波度的组合.通过对波形几何模型的数学处理,将膜厚变化引起的动压效应和静压效应进行解耦.在层流假设的基础上,基于稳态下二维Reynolds方程,针对核主泵轴封不同工况分别作考虑空化的流体有限元仿真分析,考察参数变化对密封性能的影响,从而揭示出动静压结合型波度机械密封的工作机理.研究表明,动静压结合型波度端面机械密封中,动压和静压效应并不始终同时起作用,在正常工况下主要依靠静压效应承载;而在密封间隙较小或密封出入口压差较小时,因为液膜发生空化,动压效应才起到承载作用,从而保证密封在特殊工况下保持非接触状态,减小碰磨的几率,提高了密封的工作可靠性和使用寿命.     

核主泵流体静压式二级密封的压力变形数值研究

采用ANSYS软件和FLUENT软件数值分析了在核主泵一级密封失效时,流体静压式二级密封在密封压力下由接触式转变为非接触式机械密封的机理、密封端面的压力变形规律、密封液膜的流体动力学特性、以及密封端面变形对密封性能的影响规律。     

机械密封端面流体膜压分布理论探讨

对于机械密封端面流体膜,许多研究人员做了大量的工作,试验证明了端面间存在一层流体膜,并且膜压包括流体静压力和流体动压力。普通机械密封的流体动压效应较小,一般来说端面流体膜压即指流体静压力。实际机械密封工作时总是伴有一定的泄漏,多数处于混合摩擦状态。由流体力学可知、端面间连续流动的流体膜的膜压连续变化,其变化规律不仅与流体的物理性质有关,而且与流体的状态有关,如图1所示。压力减少系数K由密封液的蒸汽压、比重等决定。一般采用表1内数值。     

内圆弧槽机械密封液膜流场特性分析

以内圆弧槽流体动压型机械密封为研究对象,建立了动静环端面间液膜的三维模型,运用计算流体动力学理论和有限体积法对端面间液膜的流场特性和装置的密封性能进行了模拟和数值分析。对处于不同工况、不同密封介质条件下的液膜流场,得到了其压力、泄漏量、开启力和摩擦扭矩的变化规律及相互影响关系。结果表明:圆弧槽能够产生明显的动压效应,动压效应的大小与动环转速呈正比;液膜的压力沿径向由内径到外径逐次降低;泄露量的大小随动环转速或介质压力的增大而增大;开启力的大小与动环端面的总压力具有相似的变化规律。     

基于ANSYS CFX的多孔端面机械密封膜压分析

为了深入研究多孔端面机械密封动压效应的形成机制,通过建立多孔端面机械密封的分析模型,采用AN-SYS CFX软件求解三维N-S方程,得到环两侧在无压差时总压分布和不同压差时静压分布;以液膜平均动压力为参照,得到不同工况参数对密封端面动压效应的影响规律,并结合压力分布云图对结果进行分析。研究表明:流体介质压力增加,平均动压力变化不大;增大转速、提高密封介质黏度可以明显提高多孔端面机械密封的动压效应。ANSYS CFX提供一种更便捷、准确的计算方法,实现对膜压分析更合理、真实的数值模拟。     

自适应接触式机械密封性能研究

以压水堆核主泵静压轴封系统中具有自适应性的接触式机械密封为对象,分别采用热流固耦合混合润滑和流固耦合流体润滑模型,研究了不同工况下密封性能演变规律;提出了具有更好工艺性能的静环组件浮动安装结构并与国外产品采用的镶装结构密封性能进行了比较。自行研制了立式、全尺寸自适应接触式机械密封性能试验系统,获得自适应接触式机械密封在核主泵密封两种典型工作状态下的密封性能,验证了理论分析模型。同时,通过试验验证了静环组件浮动安装结构的可行性与性能,为国产化设计与制造提供了理论和实践基础。     

流体静压式核电站主泵二级密封由接触式到非接触式转变的密封性能分析

利用ANSYS对流体静压式核电站主泵密封的第二级密封动环组件建模,计算得到密封环在高压下的变形情况,通过Fluent对核电站主泵第二级密封在高压情况下端面流场建模,得到密封端面流场的压力分布、速度场及密封的开启力和泄漏量.计算模拟了机械密封环的端面变形及机械密封由接触式机械密封转变为非接触式机械密封过程.结果表明,核电站主泵的第二级密封的动环组件在第一级密封失效的情况下会通过变形形成收敛面非接触型机械密封,并能在工况要求的情况下正常工作.     

阶梯收敛槽机械密封空化效应及密封性能优化分析

为解决波度端面机械密封精密加工困难的问题,基于收敛型槽具有较低的泄漏量和较高的流体静压效应的特点,提出一种由波度端面机械密封结构衍生变化的阶梯收敛槽机械密封结构,考虑空化作用,对不同结构参数及工况参数下机械密封密封性能进行CFD流体仿真分析。结果表明：工况参数及结构参数对液膜空化效应有显著的影响,其中随着膜厚、密封压力以及槽深的增加,液膜空化效应均减弱,随着转速的增大,液膜空化效应变强。以开漏比评价密封性能,结果表明,阶梯收敛槽机械密封在小膜厚、高转速、较低密封压力以及较小静环开槽深度下运行时可获得最优密封性能;但为保证密封端面液膜具有足够的承载力,开槽深度不宜过小。     

机械密封端面膜厚测试的微机应用

本文研究了应用微机测试机械密封摩擦副液膜厚度的测试系统和程序软件。实现了膜厚的实时精确测量和自动化。检测试验结果定量、直观地描述正常工况下机械密封摩擦副液膜的动压效应及其动态特征。     

核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展

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。     

核主泵无顶油惰转推力轴承磨损研究

本文介绍了核主泵在无高压油顶起推力轴承推力瓦的工况下,惰转停机过程推力轴承的磨损规律研究。基于雷诺方程分析,推力轴承流体动压润滑的油膜压力及油膜厚度变化规律,惰转停机过程分为流体动压润滑阶段、不连续流体动压润滑阶段和边界润滑阶段。核电厂全厂断电(SBO)工况下,核主泵无高压油轴承顶起系统对于选用传统的金属材料摩擦副推力轴承会有较大磨损概率,因此应采取必要措施确保核电站的运行经济性和可靠性。本文提出了轴封式核主泵用油润滑双向推力轴承所采用的新型自润滑复合材料摩擦副,从根本上解决SBO工况下推力轴承摩擦副的磨损,停机后可以再次启动核主泵并稳定运行。     

倾斜微孔密封端面气体润滑动压效应实验研究

对密封压力影响下倾斜微孔端面的气体润滑动压效应进行了实验研究,采用石墨动环和SiC静环配副实现旋转气体润滑。静环试件端面加工有与直径成一定倾斜角度的椭圆微孔,实验中对4种微孔端面的气体润滑膜厚度进行了测量,分析了密封压力和转速对气膜厚度的影响规律。结果表明:转速越高,气膜厚度越大,动压效应越强;密封压力越高,动压效应对膜厚的影响越小;双列倾斜微孔端面的动压效应优于单列倾斜微孔端面的动压效应。     

核主泵2号密封变形机理及泄漏特性数值研究

核主泵2号密封在事故工况下，需要承受一回路高压，由于缺乏2号密封在承受高压条件下的密封机理研究，严重制约2号密封承受高压时的可靠性分析和评价。依托CPR1000核电机组100型核主泵2号密封，提出一种流固耦合分析数值模型并通过台架试验验证，系统阐述了核主泵2号密封承受高压时由摩擦面密封向流体静压型密封的转变机理，并研究了动环锥角、泄漏量随压差增加的变化规律。通过数值研究，发现2号密封锥角和泄漏量在5 MPa压差左右出现拐点，动环锥角最大约为0.05°,随着压差进一步增加，动环锥角基本保持不变，泄漏量则随压差呈现近似线性上升。     

核主泵密封装置试验研究

核主泵密封装置的试验研究是研究开发核主泵密封的重要手段之一。该文针对自主研发的核主泵密封装置中的第2级流体动压式密封的结构型式,开展了密封端面槽型比对试验、单级密封强化运转试验以及整机密封的长周期试验等研究。长周期性能试验结果表明所研制的密封装置运行平稳,密封性能良好,性能指标达到预期目标,为今后进一步深入研究核主泵密封装置打下了良好的基础。     

几种流体动压和静压机械密封

机械密封属接触式密封,为了获得良好的密封性能,密封面上必须保持一定的比压。此外,两滑动摩擦面间要能形成流体动压液膜或静压液膜,以利于减小摩擦系数和磨损。根据动压液体润滑原理知,两平行滑动面间无流体动压效应,不能形成承载液     

核主泵流体静压轴封组件运行寿命试验研究

为了获取静压轴封组件可实现的运行寿命,分析静压轴封组件1号、2号、3号密封的失效机理,基于密封的失效机理分析压力、温度、转速、启停、老化对密封失效的影响,同时提出静压轴封组件运行寿命试验方法及试验条件。分析结果表明:一回路压力波动导致插入件磨损失效而影响1号密封的运行寿命;主泵的启停导致2号密封和3号密封摩擦副磨损而影响运行寿命;辐照老化和热老化导致O型圈老化而影响密封的运行寿命。通过模拟静压轴封组件设计寿命内承受的一回路压力波动、主泵启停的加速试验可获取密封的运行寿命。对经过热老化和辐照老化后的O型圈进行单独密封试验,可获取O型圈的运行寿命。     

低液气比下混合润滑动压密封性能分析

针对小液滴均匀分布在气相中的两相润滑状态下的密封工况,建立气液混合物理模型,推导气液两相混合流体的等效黏度,建立气液混合润滑动压密封端面间的气液混合润滑Reynolds方程。利用MATLAB软件编写有限元程序求解气液混合润滑Reynolds方程,得到动压密封端面间气液混合流体的压力分布及密封性能参数,并分析在操作工况一定时,液气比对密封性能的影响。分析结果表明:在相同的膜厚下,液滴增强了端面流体动压效应;动压密封在运转过程中,端面密封间隙、摩擦功耗和质量泄漏率随液气比的增加而增加,体积泄漏率随液气比的增加而减少,而刚度随液气比的增加先增加后降低,存在最大值。     

低液气比混合润滑下的动压密封性能分析

针对小液滴均匀分布在气相中的两相润滑状态下的密封工况,建立气液混合物理模型,推导气液两相混合流体的等效黏度,建立气液混合润滑动压密封端面间的气液混合润滑Reynolds方程。利用MATLAB软件编写有限元程序求解气液混合润滑Reynolds方程,得到动压密封端面间气液混合流体的压力分布及密封性能参数,并分析在操作工况一定时,液气比对密封性能的影响。分析结果表明:在相同的膜厚下,液滴增强了端面流体动压效应;动压密封在运转过程中,端面密封间隙、摩擦功耗和质量泄漏率随液气比的增加而增加,体积泄漏率随液气比的增加而减少,而刚度随液气比的增加先增加后降低,存在最大值。     

核主泵静压轴封极限工况下运行可靠性研究

核电厂一回路主泵静压轴封现场运行期间，多次出现超出厂家运行技术要求的工况，由于缺乏主泵静压轴封运行参数影响机理研究，严重制约着轴封极限运行工况下的可靠性分析和评价。依托CPR1000核电机组100型核主泵双锥角静压轴封，提出一种流固耦合分析数值模型，系统阐述了极低压差、极限温度、内外锥角等关键因素对密封泄漏特性的影响机理。通过对极限工况运行可靠性进行研究，提出极限运行工况建议值，即压差不低于0.6 MPa,极限注入温度不高于100℃。可以为现场核主泵静压轴封极限工况下运行可靠性评价提供量化参考和指导。     

新型流线槽流体动压型机械密封性能*

以核主泵用新型流线槽流体动压机械密封为研究对象,建立密封间隙内液体膜的压力控制方程,应用有限差分法求解,分析特定工况下流线槽的结构参数对密封性能的影响。结果表明：泄漏量和刚度对密封间隙的变化最为敏感,间隙增大时,泄漏量迅速增加同时刚度急剧下降;刚度随槽深、槽长比、堰宽比增大而先增后减,并在一定区域获得峰值。流线槽槽数为12、槽深为2 μm、密封端面间隙为1 μm、槽长比为0.6、堰宽比为0.6时,液体膜具有较大的开启力、刚度和刚漏比,密封端面产生的流体动压效应显著,密封工作性能达到较佳状态。