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浅谈在核反应堆冷却泵中应用磁悬浮轴承的影响

2020-02-23 246 上传者：管理员

摘要：为了有效满足冷却泵寿命和冷却水流平稳的要求，本文对典型核反应堆冷却泵工况展开了深度分析，提出了用磁悬浮非接触式轴向轴承替代传统接触式轴承的思路。该方法具备结构简单、寿命长、运转振动小、冷却泵水流平稳、体积减小、重量轻、理论计算正确以及可操作性强等特点。

关键词：
冷却泵
原子裂变
核反应堆
磁悬浮轴承
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1、冷却泵现状分析

核反应分核聚变和核裂变两种，民用的通常是核裂变，它是通过一些重原子裂变释放能量，其中核电站就是核裂变释放出巨大能量，用冷却剂将这些能量置换出来，再在蒸发器里通过交换产生蒸汽，用这些蒸汽推动汽轮机来发电，所有推动这些能量载体运行的动力来源于泵。由此可见，泵是核反应椎的心脏，泵的工作可靠性直接影响核运行的安全性。

对泵的基本要求可分为以下几个部分：第一，能实现长期无人维护条件下的安全运行；第二，结构便于维修和更换；第三，过流零部件要求有较强的耐腐蚀功能；第四，泵要运行平稳，无振动，保证输送液体不产生紊流；第五，寿命长是关键，因为一旦停机，会造成巨大损失。

泵的核心就是轴承，也是关键的易损件，它直接影响泵的寿命、运行平稳性、耐腐蚀性以及振动大小。目前使用的轴承多为机械接触式轴承，尽管对这些轴承技术要求很高，但都属于接触轴承，不可避免的会产生摩擦与振动，进而影响运行平稳性和寿命指标。

鉴于目前存在的问题，轴承主要承受轴向推力，本文采用轴向无摩擦磁悬浮轴承替代机械轴承，满足平稳运行、寿命长等要求。

2、磁悬浮轴承特点

磁悬浮轴承又称永磁轴承，是依靠永磁材料吸力或斥力，支承外载荷的零部件。按照受力分为径向、轴向和组合磁悬浮轴承。

本文以轴向磁悬浮轴承来承受纯轴向力，达到平稳运转的目的。其特点如下：第一，永磁轴承是靠永磁铁的磁场力支承载荷或悬浮转子的一种支承形式；第二，实现高速运转，每分钟转速高达十几万转，且转速只受轴材料限制；第三，转轴与支承件之间没有直接接触与摩擦，不发热；第四，精度高，可以达到纳米级；第五，功耗低，只有普通轴承的10%。；第六，可在恶劣、深冷及真空环境下保持运转；第七，由于减少转动惯量，提升电机转速比同级高出20%。；第八，轴承无须注润滑油，没有按时注油的烦恼；第九，可以实现封闭设计，内部无灰尘进入；第十，转速小于3500rad/min，温度保持在32～41℃；第十一，要求运行条件高，对环境有磁干扰，但无其他污染。

3、使用磁悬浮轴承注意事项

在选择和设计磁悬浮轴承时，应注意以下事项：第一，在同样条件下，吸力轴承效率比推力磁轴承的效率高；第二，永磁轴承只能设计成被动轴承；第三，被动轴承不能在3个方向上都稳定，至少有一个纲性支承；第四，纯永磁轴承只能是五自由度控制型轴承；第五，永磁轴承的使用温度受材料本身居里点限制；第六，永磁材料脆性大，所以在安装使用过程中，不能碰撞或受到冲击；第七，高转速永磁轴承外圈应加紧固环，防止非正常情况下直接相撞。

4、解决方案

根据核反应堆冷却泵的工况，我们设计了相应的解决方案，如图1所示的。

图1 核反应堆冷却泵解决方案

图示位置为泵在额定载荷工作时承受的额定载荷位置。电机主轴上安装电机转子，电机定子直接安装在壳体内部；主轴两端安装轴向磁浮轴承内圈，磁浮轴承外圈与壳体相链接固定；上下定位器的作用是当主轴转速降到一定数值时，主轴会依靠上下限位器支承；当主轴转速升到一定数值，主轴会自动悬浮在磁轴承中心位置，达到完全悬浮工作状态。纯轴向载荷P在正常情况下，与两对磁悬浮轴承的t位移产生轴向力相平衡，如果有特殊突发故障，可能引起主轴轴向载荷大于两个磁悬浮轴承的最大承载能力，引起过大轴向移动，此时非常规状态，由限位螺钉控制不至于过多轴向位移发生。在正常情况下，主轴运转不与任何构件直接接触，所以运转平稳、摩擦力小，寿命长，且符合泵的工作要求。

由于整个电机系统都侵泡在冷却液体内，所以整个电机构件和磁悬浮轴承都要做防腐处理。其中，磁悬浮轴承的外表全部用304不锈钢保护；同时，为了使磁悬浮轴承磁场和电机磁场不相互干涉，磁悬浮轴承要与定转子保持一定距离；与磁悬浮轴承相接触的构件，如主轴和壳体等，要用非磁性材料制造，如304材料等。

5、计算实例分析

某典型核反应堆冷却泵功率为12kW，使用转速为2880rad/min，设计轴向力为2500N，全部侵泡在液体中运转.经过计算确定，采用两对轴向磁悬浮轴承，内径为48mm，外径为146mm，宽度为26mm；尺寸中已经包含了周边1.5mm的不锈钢保护层；单个磁悬浮轴承的额定轴向力为2000N，两个串联磁悬浮轴承额定轴向力为4000N，轴向刚度为2kN/mm，额定位移t为2mm；整个转子系统动平衡指标为G0.01，全部指标满足使用要求。

6、结语

在核反应堆冷却泵垂直使用前提下，本文提出的应用磁悬浮轴承替代传统接触式轴承，数学模型建立合理，理论计算正确，可操作性强，该方案实施，必将会为提升核反应堆冷却泵运行质量与寿命带来一次革命。

参考文献:

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