本專利屬于軸承技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能夠產(chǎn)生流體動靜壓的導(dǎo)向軸承，適用于鈉冷快堆鈉泵用導(dǎo)向軸承。

背景技術(shù)：

從20世紀(jì)50年代末至60年代初，世界上建造第一批原型核電站以來，核電技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代，正在進(jìn)行第四代開發(fā)。在控制溫室氣體排放、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大趨勢下，許多國家都在積極推進(jìn)核電建設(shè)，我國已將核電列為國家發(fā)展規(guī)劃中低碳能源供應(yīng)的重要支柱。

核電站反應(yīng)堆種類較多，可分為輕水堆(包括壓水堆和沸水堆)、重水堆、石墨氣冷堆和快中子增值堆等。核電站原則性熱力系統(tǒng)一般可分為三種：一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)、三回路系統(tǒng)。不論何種熱力系統(tǒng)及堆型，均需要冷卻劑將堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量帶出以冷卻堆芯并進(jìn)行后續(xù)發(fā)電過程的一回路系統(tǒng)。核主泵是驅(qū)動冷卻劑在一回路不斷循環(huán)的心臟部件。

作為第四代反應(yīng)堆，快中子增殖堆可以高效利用核燃料，一般來說利用率可以達(dá)到60％～70％?？熘凶釉鲋扯堰\(yùn)行時一方面消耗裂變?nèi)剂希瑫r又會產(chǎn)生裂變?nèi)剂?，其冷卻劑主要為液態(tài)金屬和氦氣。目前試驗中的快中子冷卻堆大多采用通過一回路系統(tǒng)的鈉冷卻劑將堆芯中核裂變產(chǎn)生的熱量帶出、二回路系統(tǒng)的鈉受熱劑將受用的熱量送往蒸汽發(fā)生器。鈉具有在常壓下也能達(dá)到電站所要求的工作溫度(活性區(qū)出口溫度為500～600℃)的優(yōu)點。鈉的缺點是遇水或氧氣后會發(fā)生劇烈反應(yīng)甚至爆炸。為此，鈉泵在設(shè)計時，均設(shè)計成立式，葉輪背面除了液鈉，上方還覆蓋有厚厚的氬氣保護(hù)層。考慮到工作條件和性能要求，泵軸的上端采用組合的球軸承和端面軸承，下端采用滑動軸承作導(dǎo)向軸承。

按照現(xiàn)有技術(shù)，立式鈉泵的導(dǎo)向軸承結(jié)構(gòu)是這樣的：與鈉泵泵體連接的軸套端面上開設(shè)有l(wèi)形引流孔，連通軸套內(nèi)徑布置的軸向承壓槽。在鈉泵工作時，葉輪背壓通過引流孔進(jìn)入軸向承壓槽，由于l形引流孔的直徑大于泵軸與軸套間的間隙，流動阻力較小，因此，液鈉通過l形引流孔進(jìn)入軸向承壓槽，在軸套與泵軸之間形成流體靜壓，并在泵軸偏心的條件下產(chǎn)生流體動壓。在轉(zhuǎn)速較慢的工況下，葉輪背壓較小，經(jīng)由l形引流孔流入軸向承壓槽的液鈉產(chǎn)生的流體靜壓也很小，難以承擔(dān)泵軸的偏心擺動力，泵軸與導(dǎo)向軸承會發(fā)生碰撞而損傷。一回路及二回路的鈉泵規(guī)定使用壽命均為40年，如果在此期間對泵軸和軸承進(jìn)行更換將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，不僅如此，維修時混入鈉泵的氧氣以及水汽在工作與液鈉接觸會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，不利于鈉泵的安全運(yùn)行，甚至引發(fā)事故。此外，由葉輪背壓經(jīng)l形引流孔進(jìn)入軸向承壓槽內(nèi)液鈉，形成流體靜壓時，會從軸承上端與泵軸的間隙泄漏，導(dǎo)致鈉泵效率降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本技術(shù)的目的是提出一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，以解決現(xiàn)有鈉泵在啟動和運(yùn)行時導(dǎo)向軸承承載力不足，致使泵軸與軸承碰擦磨損，以及泄漏率較大，鈉泵效率低的問題，保證鈉冷快堆長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高鈉泵的工作效率。

本專利的技術(shù)方案是：

一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，由軸套6和泵軸5組成，軸套6連接于泵體2，并穿套在泵軸5上，軸套6上開有引流孔9，所述引流孔9將軸套6與泵體2連接的端面和在軸套6內(nèi)徑布置的軸向承壓槽8相連通，在鈉泵工作時，葉輪3背壓通過引流孔進(jìn)入軸向承壓槽8，形成流體靜壓；泵軸5上開設(shè)有螺旋槽7，在鈉泵工作時，螺旋槽7將軸承外側(cè)的液鈉楔入進(jìn)軸承內(nèi)，形成流體動壓。

軸套6周向上均布4-8組l形引流孔9和軸向承壓槽8，l形引流孔9的進(jìn)口設(shè)置在軸套6端部，軸向承壓槽8設(shè)置在軸套6中部，引流孔9與軸向承壓槽8一一對應(yīng)，連接于軸向承壓槽8的中部；

所述的軸向承壓槽8設(shè)置在軸套6的中部，軸向承壓槽8的起止位置距離軸套6兩端部一定的距離，其長度短于軸套6的寬度。

所述的螺旋槽7的下止點略高于軸向承壓槽8的下端面，上止點略高于軸套6的上端面。

所述的螺旋槽7的螺旋方向與泵軸5的旋轉(zhuǎn)方向一致。

所述的螺旋槽7截面形狀為矩形、半圓形或半橢圓形。

本技術(shù)所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，鈉泵工作時，液鈉從進(jìn)液口1進(jìn)入鈉泵，經(jīng)過葉輪3泵送至出液口4，出液口4的液鈉有三條流動通道，第一條為葉輪3與出液口4之間的間隙通道，出液口處的高壓液鈉通過這一通道向進(jìn)液口1回流，為阻止液鈉流向進(jìn)液口1，在葉輪3進(jìn)液口1外緣處與泵體2之間設(shè)置迷宮密封；第二條為泵的出液口4；第三條為葉輪3背部與泵體2之間的縫隙通道。在液鈉進(jìn)入葉輪3背部與泵體2之間的縫隙通道之后，又有2條泄漏途徑：一條是泵軸5與軸套6之間的狹小間隙，另一條是軸套端部的l形引流孔。由于l形引流孔9的孔徑大于泵軸5與軸套6之間的間隙，l形引流孔9中阻力較小，因此液鈉通過l形引流孔9進(jìn)入軸向承壓槽8和軸套6與泵軸5之間的間隙中。葉輪3背壓通過l形引流孔9進(jìn)入軸向承壓槽8與泵軸5之間的間隙產(chǎn)生流體靜壓，承載泵軸5工作中一定量的擾動。

所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，在泵軸5上開設(shè)了螺旋槽7，當(dāng)鈉泵開始工作，泵軸5運(yùn)轉(zhuǎn)時，軸承外側(cè)的液鈉被螺旋槽7楔入進(jìn)軸承內(nèi)，螺旋槽7槽壁對泵軸5與軸套6之間的液鈉施加推進(jìn)力，進(jìn)行能量交換，泵軸5的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)變?yōu)橐衡c的壓力能，產(chǎn)生流體動壓。在流體靜壓與流體動壓的共同作用下，泵軸5與軸套6之間產(chǎn)生支承力，防止擾動引發(fā)泵軸5與軸承軸套6的碰撞，延長泵軸5與軸承軸套6的使用壽命。

由于螺旋槽7的下止點略高于軸向承壓槽8的下端面，泵軸5運(yùn)轉(zhuǎn)時，液鈉在螺旋槽7槽壁的推動作用下，逐漸聚集在靠近軸向承壓槽8的下端面處，形成較高的液鈉壓力，能夠抵御泵軸5較大的擾動。

螺旋槽7的螺旋方向與泵軸5的旋轉(zhuǎn)方向一致，是為了使泵軸5旋轉(zhuǎn)時，螺旋槽7能夠把位于軸套上部、軸承外側(cè)的液鈉楔入泵軸螺旋槽中，在泵軸與軸套之間的間隙內(nèi)，形成流體動壓。

圖1為開設(shè)有螺旋槽的泵軸導(dǎo)向軸承示意圖。圖2是開設(shè)有螺旋槽的泵軸沿垂直于螺旋槽的f-f線周向展開圖。圖3為泵軸在偏心情況下與軸承軸套位置示意圖。

在槽區(qū)內(nèi)任意位置z處的泵送速度為

式中，z為螺旋槽區(qū)內(nèi)任意位置；v’為液體沿螺旋槽方向泵送速度；v為泵軸圓周線速度；h為螺旋槽深度；α為螺旋角。

沿槽深方向的泵送速度的平均值ump為

泵送流量qp為泵送速度、橫向槽寬、螺旋槽深度h、螺旋頭數(shù)i的乘積

式中，b為軸向槽寬。

由圖2螺旋槽的幾何關(guān)系可知

式中，d為轉(zhuǎn)子直徑；a為螺旋軸向齒寬；k1為螺旋槽相對槽寬，

則泵送流量

一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的泄漏流動可以沿兩個路徑產(chǎn)生，一是沿螺旋槽流動，另一是越過螺旋槽槽頂?shù)牧鲃?。泄漏量均可按通過縫隙流動的一般公式來計算，即

式中，δp為泵出壓力與泵入壓力之差；b1為縫寬，h1為縫深，μ為液鈉的動力粘度，l1為有效縫長。

當(dāng)計算沿螺旋槽的泄漏量qx1時，由圖2可知，其泄漏通道的縫深h1＝h+s,縫寬b1＝bcosα·i，l1＝l/sinα

則沿螺旋槽的泄漏流量qx1為

當(dāng)計算越過螺旋槽槽頂?shù)男孤┝髁縬x2時，由圖2可知，其泄漏通道的縫深h1＝s，縫寬

越過螺旋槽槽頂?shù)男孤┝髁縬x2為

定義相對槽深且

則總泄漏流量q總為qx1與qx2之和

當(dāng)泵送流量與泄漏流量相等時，鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承達(dá)到零泄漏。一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承在零泄漏條件下的密封能力為

式中，

由圖3可知，偏心率ε為

ε＝e/s(11)

式中，e為軸承軸套與泵軸圓心偏心距；泵軸與軸承軸套半徑間隙s＝(d-d)/2。

當(dāng)泵軸出現(xiàn)偏心現(xiàn)象時，沿螺旋槽泄漏的流量和越過螺旋槽槽頂?shù)男孤┝烤杀硎緸?/p>

當(dāng)泵軸出現(xiàn)偏心現(xiàn)象時的總泄漏量為

當(dāng)軸承與泵軸圓心偏心距e＝0時，即居于同心，則變?yōu)楣?9)；

當(dāng)軸承與泵軸圓心偏心距e＝s時，即完全偏心，則有

由式(13)可知，偏心率對泄漏量的影響很大，完全偏心產(chǎn)生的泄漏量為同心的2.5倍。

在考慮偏心率ε的情況下，對式(10)進(jìn)行改進(jìn)，可得在偏心狀態(tài)下一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的密封能力為

式中，

鈉泵的偏心率ε增大，導(dǎo)致泵軸與軸承之間液鈉的總泄漏量增大，鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的密封能力減小，偏心率ε越大，密封能力越差。

所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承在泵軸5出現(xiàn)偏心時也能產(chǎn)生流體靜壓與流體動壓，流體靜壓與流體動壓共同作用形成軸承總的承載力。

由流體靜壓形成的承載力可表示為

w靜＝p背bd(16)

式中，b為軸承寬度，p背為葉輪背壓。

流體動壓從軸承外側(cè)的p外至軸承下端面處的(△p+p外)呈線性變化，因此流體動壓所形成的承載力可表示為

式中，p外為軸承外側(cè)壓力。

則由流體靜壓和流體動壓形成的總承載力為：

式(18)中只有k′為關(guān)于偏心率ε的變量，而偏心率ε＝e/s中s為定值，因此，w總是關(guān)于偏心距e的函數(shù)關(guān)系式(19)。

其中，

將式(19)對e進(jìn)行求導(dǎo)并取絕對值，可得到鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的剛度k

k＝|f′(e)|(20)

剛度越大，泵軸越不容易與軸承軸套發(fā)生碰撞。

所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的螺旋槽7工作方向鈉泵5旋轉(zhuǎn)方向一致。鈉泵開始工作時，旋轉(zhuǎn)時，軸承外側(cè)的液鈉受到泵軸5螺旋槽效應(yīng)的作用，被楔入進(jìn)軸承內(nèi)，向葉輪背壓側(cè)泵送，一方面通過泵軸5上開設(shè)的螺旋槽7施加的推進(jìn)力獲得能量在軸套和泵軸間形成流體動壓，另一方面抵消了葉輪背壓側(cè)向軸承外液鈉泄漏，提高鈉泵的工作效率。

所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承通過l形引流孔9和軸向承壓槽8將葉輪背壓傳遞至軸套和泵軸之間形成流體靜壓，與上述流體動壓組合，產(chǎn)生流體承載力和剛度，維持泵軸與軸套之間的非接觸。

本技術(shù)的有益效果

上面所述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，具有以下幾個優(yōu)點：

1)能夠產(chǎn)生良好的承載力。一般立式鈉泵的泵軸5與軸承之間只存在由l形引流孔9和軸向承壓槽8產(chǎn)生的流體靜壓和由于泵軸偏心運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流體動壓，當(dāng)鈉泵低速運(yùn)行時流體靜壓和動壓較小，難以承擔(dān)泵軸5的偏擺，極易與軸承的碰撞。本技術(shù)中泵軸5上開設(shè)的螺旋槽7能夠?qū)Ρ幂S5與軸套6之間的液鈉施加推進(jìn)力產(chǎn)生流體動壓，在流體動壓和流體靜壓的共同作用下可以產(chǎn)生更大的承載力。

2)泵軸5與軸承軸套零接觸，鈉泵的發(fā)熱量小，降低了泵軸功率消耗。

3)提高了泵的效率。泵軸5上開設(shè)的螺旋槽7在泵軸旋轉(zhuǎn)的過程中將軸承外側(cè)的液鈉楔入到軸承內(nèi)，減少了泵軸導(dǎo)向軸承系統(tǒng)中液鈉的泄漏，提高液鈉的使用率。

附圖說明

圖1為開設(shè)有螺旋槽的泵軸導(dǎo)向軸承示意圖。

圖2是開設(shè)有螺旋槽的泵軸沿垂直于螺旋槽的f-f線周向展開圖。

圖3為泵軸在偏心情況下與軸承軸套位置示意圖。

圖4為圖2中帶矩形螺旋槽的m-m截面示意圖。

圖5為圖2中帶半圓形螺旋槽的m-m截面示意圖。

圖6為圖2中帶半橢圓形螺旋槽的m-m截面示意圖。

圖7為帶有螺旋槽的鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承的鈉泵截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為圖7中的n-n截面示意圖。

其中，1—進(jìn)液口；2—泵體；3—葉輪；4—出液口；5—泵軸；6—軸套；7—螺旋槽；8—軸向承壓槽；9—l形引流孔。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明本技術(shù)的實施方式。

參見圖7、圖8中描述的一種鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承，由軸套6和泵軸5組成，軸套6連接于泵體2，并穿套在泵軸5上，其特征是：軸套6上與泵體2連接的端面上開設(shè)有引流孔9，連通與軸套6內(nèi)徑布置的軸向承壓槽8，在鈉泵工作時，葉輪3背壓通過引流孔9進(jìn)入軸向承壓槽8，形成流體靜壓；泵軸5上開設(shè)有螺旋槽7，在鈉泵工作時，螺旋槽7將軸承外側(cè)的液鈉楔入進(jìn)軸承內(nèi)，螺旋槽對液鈉施加推進(jìn)力進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生流體動壓。

引流孔9為l形，每列l(wèi)形引流孔9之間間隔為45°，軸向承壓槽8處于軸套6的中部，引流孔9與軸承內(nèi)徑布置的軸向承壓槽8一一對應(yīng)，軸套中部開設(shè)的軸向承壓槽8的長度小于軸套6的軸向高度。

鈉泵工作時，液鈉從進(jìn)液口1進(jìn)入鈉泵，經(jīng)過葉輪3泵送至出液口4，出液口4的液鈉有三條流動通道，第一條為葉輪3與出液口4之間的間隙通道，出液口處的高壓液鈉通過這一通道向進(jìn)液口1回流，為阻止液鈉流向進(jìn)液口1，在葉輪3進(jìn)液口1外緣處與泵體2之間設(shè)置迷宮密封；第二條為泵的出液口4；第三條為葉輪3背部與泵體2之間的縫隙通道。在液鈉進(jìn)入葉輪3背部與泵體2之間的縫隙通道之后，又有2條泄漏途徑：一條是泵軸5與軸套6之間的狹小間隙，另一條是軸套端部的l形引流孔。由于l形引流孔9的孔徑大于泵軸5與軸套6之間的間隙，l形引流孔9中阻力較小，因此液鈉通過l形引流孔9進(jìn)入軸向承壓槽8和軸套6與泵軸5之間的間隙中。葉輪3背壓通過l形引流孔9進(jìn)入軸向承壓槽8與泵軸5之間的間隙產(chǎn)生流體靜壓；泵軸5運(yùn)轉(zhuǎn)時，泵軸5與軸套6之間的液鈉被螺旋槽7側(cè)壁施加推進(jìn)力，獲得能量，形成流體動壓；流體靜壓和流體動壓的共同作用，形成了巨大的支承力，承載泵軸5工作中的擾動，防止泵軸5與軸承軸套6碰撞，延長泵軸5與軸承軸套6的使用壽命。

鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承產(chǎn)生的流體動靜壓與葉輪背壓處的液鈉壓力相平衡，建立密封狀態(tài)，阻止液鈉沿泵軸泄漏。

在泵軸5上開設(shè)螺旋槽7工作方向與泵軸5旋轉(zhuǎn)方向一致，泵軸5上螺旋槽7有效長度l略大于軸向承壓槽8的長度，螺旋槽7為矩形槽，此時，取螺旋角為22°，螺旋軸向齒寬等于螺旋槽軸向槽寬，k1為0.5，螺旋槽7槽深與泵軸5和軸承軸套6的半徑間隙比值h:s為2:1，k2為3。當(dāng)偏心率ε取0.9，可求得k’為0.365。

鈉泵處于惰轉(zhuǎn)情況時，泵軸轉(zhuǎn)速為80rpm，泵軸圓周線速度v為1.675m/s，泵軸與軸承軸套半徑間隙s為0.001m，有效長度l為0.4m，工作溫度下液鈉的動力粘度μ為0.3pa·s，軸承寬度b為0.4m，泵軸直徑d為0.4m，液鈉進(jìn)液口與出液口直徑相等，均為800mm，進(jìn)出口液鈉的流速相等，鈉泵的揚(yáng)程為95m，根據(jù)進(jìn)液口液鈉壓力為0.25mpa，求得到出液口液鈉壓力為1.065mpa，軸承外側(cè)壓力與進(jìn)液口壓力相等，p外為0.25mpa，葉輪背壓處壓力與出液口液鈉壓力幾乎相等，p背取值1.065mpa，代入式(21)可得總承載力w總為2.691×10⁵n。

將上述已知值代入式(19)可得到關(guān)于偏心距e的關(guān)系式：

將式(21)代入式(20)可得剛度k

偏心率ε為0.9，軸承軸套半徑間隙s為0.001m時，偏心距e為0.0009m；將其代入式(22)可得鈉冷快堆鈉泵用流體動靜壓混合型導(dǎo)向軸承在鈉泵惰轉(zhuǎn)情況下的剛度k為6.096×10⁷n/m。

鈉泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)速為800rpm，泵軸圓周線速度v變?yōu)?6.75m/s，偏心率ε取0.9，求得k’為0.365；將各參數(shù)代入式(19)可得總承載力w總為7.973×10⁵n，代入式(22)可得剛度k為6.096×10⁸n/m。