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核电站余热排出泵轴承体的受热分析

时间:2017-9-25 9:34:00   来源:中国轴承网   添加人:admin

  经验交流核电站余热排出泵轴承体的受热分析滕国荣李彦军2‘3,严建华黄道见2(1.江苏省特种化工泵工程技术研究中心,江苏靖江214537;2.江苏大学,江苏镇江212013;3.江苏双达泵阀集团有限公司,江苏靖江214537)用传热学理论,分析了轴承体的受热状态,结果表明余热排出泵内高温流体的热量通过泵轴传递到轴承体,再加上轴承的高速旋转摩擦产生的热量,使轴承体的温度过高,影响轴承体的安全稳定运行,须采用循环水进行冷却。根据传热学和能量守恒原理,分析了循环冷却水量与出口水温的关系,为循环水量的确定提供了。

  基金项目:国家“十五”重大技术装备研制项目(ZZ01-11-02-03);江苏省高校自然科学研究面上项目(10KB570001)目前,核电是技术上已较成熟且能大规模经济开发使用并提供稳定电力的清洁能源。在核电站中,无论是核岛、常规岛还是配套设施,泵都是十分重要的能动设备。余热排出泵是核电站中余热排出系统的组成部分,是除核主泵之外唯一布置在核岛之内的核二级泵,是关系到核岛能否安全停堆的核心装备。在反应堆冷却剂泵停运时,余热排出泵开始运行,回路水温直接达到180C,因此余热排出泵需具有耐高温冲击的能力m.同时,泵内高温水体的热量传导到泵的轴承体内,加上轴承高速旋转而产生的摩擦热量,使轴承体的温升大大高于其允许工作温升范围。因此,需要对轴承体进行受热分析,采用循环水对其进行冷却,并确定循环水量,控制工作温度。

  随着国内核电大发展和核电泵国产化程度的曰益加深,核电泵得到了较深入的研究,但主要集中在水力优化设计和运行监视系统方面5,而专门针对核电泵轴承体的冷却性能方面的研究几乎为空白。目前对泵内冷却水的计算通常采用经验公式进行估算,可靠性不高,且仅针对特定泵型,不具有通用性。文中采用传热学理论对轴承体的受热进行了分析,研究推导了冷却水量的计算式及其求解方法。

  1计算物理模型余热排出泵的结构形式如所示。在余热排出泵工作时,热量从180C的泵体内通过轴向轴承体传递,在此热量传递过程中发生3种热传递方式,即:从轴的右端向左端导热,轴外表面与周围环境的对流换热,轴外表面向周围环境的辐射换热。考虑到轴的几何特征,可认为轴的每一截面上温度是相同的,轴的导热是个维的导热,因而每段轴都可以近似认为是一个等截面圆柱肋,可用肋片温度分布公式来求解此轴某截面上的温度值。因此可将余热排出泵的结构简化成如所示的计算物理模型。

  余热排出泵结构示意物理模型简化示意2未经冷却轴承体的受热分析肋片温度分布可采用下式表示为89一肋根处的温度周围流体的温度――肋片的高度一肋片表面的对流换热系数换热周长―肋片截面积一肋片材料的导热系数2.1A-B段轴的温度分布如所示,将传热计算的轴分为AB段和CD段,分别计算这两段轴的温度分布情况。为计算方便,假设外界空气温度L=25°C,不考虑辐射散热量,由右端面的温度=180°C,根据肋片温度分布公式可计算B端的温度。

  肋片温度分布计算的关键是对流换热系数的计算,因此首先对AB段轴外表面平均对流换热系数进行计算。

  2.1.1对流换热系数的计算A-B段暴露在空气中,与空气的对流换热是由空气温度场的不均匀所引起,所以可将其视为大空间自然对流换热来求解对流换热系数。

  大空间自然对流换热的计算准则关联式可采用如下形式进行计算:轴的平均温度与无穷远处流体温度之差a体积膨胀系数I特征长度(这里取AB段轴外径)108时,流态为层流,C=0. =1/3.对流换热系数h与Nu有对应关系,即:因为B端温度未知,所以需要通过假设定性温度来确定空气的热物性,并且需要通过假设流态来选择C和n的值,在此不妨先做两点假设:(1)自然对流换热的定性温度tm的范围在80 ~90C之间;(2)流态为层流。则A-B段轴的平均温度:5根据假设(1)的温度范围,查空气的物性参数,可得:A= 21.6x10―6m2/s,Pr=0.691.将数据代入摩擦发热量轴承的摩擦力矩可按下式计算:―轴承摩擦力矩―轴承摩擦系数一轴承载荷,F=(F2a+F2)―轴向载荷一径向载荷轴承内径为轴承的摩擦力矩所做的功完全转化为热量3.1.2后支撑(成对角接触轴承)摩擦发热量(1)承受轴向力的轴承发热量计算设计工况下,取弘=0.0025,Fa=16545.9N,Fr=即认为轴承的摩擦发热功率。

  (2)不承受轴向力的轴承发热量计算则后支撑成对角接触轴承摩擦发热总功率为由肋片的传热计算方法可知,通过肋根截面A断面的全部热量可用下式计算:轴A-B段表面与空气对流换热散失的热量为:因此,高温泵体通过轴传导给轴承体的热量为:由上述计算可知轴承摩擦产生的热量为:9m质量流量由能量平衡,且不考虑轴承体与周围空气的对流换热及辐射换热,仅考虑轴承体的热量被循环水带走,则Q2=Q.+Qi,即:设循环水的进口水温为20C,则可得到循环水量与出口水温的一个函数关系:将此绘制成质量流量与出口水温的关系曲线,如所示。

  质量流量与出口水温的关系曲线4结语余热排出泵的轴承体不仅要承受高温流体通过轴传导过来的热量,还要承受轴承高速旋转摩擦而产生的热量,应用传热学理论,分析了余热排出泵轴承体的受热状态,同时分析了冷却水量与出口水温的关系,可为冷却水的设定提供。

  文中在分析轴承体的受热过程中没有考虑辐射散热,同时认为轴承体为绝热系统,其热量仅被循环水带走,而没有考虑轴承体与空气之间的对流换热。因此文中的分析结果偏保守。