核主泵用流体动静压式机械密封之特性分析与端面式槽优化设计

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1、核主泵用流体动静压式机械密封之特性分析与端面式槽优化设计第1章绪论1.1课题及意义我国经济的快速发展导致了对能源的极大需求，而环境和资源的压力又极大的限制了传统化石能源的使用，因而越来越多的人士已经认识到了核能在解决能源和环境问题中的重要性。核电在20世纪50年代初期幵始发展，50多年来，世界上30多个国家和地区先后建成了400多座核电站，总装机容量超过3亿kS),对我国核电的快速健康发展具有十分重要的实际意义和战略意义。本文主要研究核主栗用流体动静压型机械密封的性能，以及影响机械密封性能的主要因

2、素，并基于目前国际上常用核主菜机械密封的结构型式提出具有自主知识产权的新型核主栗机械密封，提出结构优化设计理论及加工技术与方法，以填补国内在核密封技术领域的空白。有关研究得到国家自然科学基金项目高温高压机械密封端面变形与表面织构的协同效应及其性能优化(50775206)，高参数机械密封多场锅合动态模型与液膜润滑稳定性研究（51005209)的资助。1.2机械密封国内外研究现状1.2.1核电站、核主栗及核主泉密封从20世纪50年代末至60年代初，世界上建造的第一批原型核电站以来，核电技术的发展已经经

3、历了第一代、第二代，目前正在向第三代乃至第四代迈进[2°_二]。在控制温室气体排放、发展低碳经济的大趋势下，我国也正在大力推进核电建设，核电已经成为国家发展规划中低碳能源供应的重要支柱核电正在世界范围内迎来新一轮的高速发展，核电运行过程如图1-1所示。核电站反应堆种类较多，可分为轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆和快中子增殖堆等[24]。核电站原则性热力系统一般可分为三种：单回路系统、双回路系统、三回路系统。不论何种热力系统及堆型，均需要冷却剂将堆芯中核裂变产生的热量带出以冷

4、却堆芯并进行后续发电过程，我们称这一冷却回路系统为一回路系统，是核电站反应堆的核心系统。三菱公司的二代改进型压水堆核电站中[25]，一回路主系统包括堆芯、核主菜、稳压器、蒸汽发生器及管道等部分，如图1-2所示。第2章流体静压型机械密封热流固锅合模型2.1引言核主冷粟用流体静压型机械密封是一种全液膜非接触式机械密封，液膜的稳定存在可以有效地避免动、静环的接触磨损，提高并改善密封系统的安全性和可靠性。正常工作时液膜厚度一般大于lOtim，尽管其端面结构简单，但由于核主栗密封运行工况为高压、高速、宽温度

5、范围I26]，其设计要求和难度非常高：高压会引起密封端面弹性变形；液膜受高速粘性剪切作用而生热，将改变密封系统的温度场，从而引起密封环的热变形；温升过高，端面间介质容易发生汽化，将严重影响密封的稳定性。密封端面间温度、压力所引起的热、弹性变形量级与端面液膜厚度相同，因此将改变端面的表面形貌，产生的热弹流动力效应(Thermo-Elasto-Hydro-DynamicEffect,简称TEHD效应)对密封性能影响极大。本章基于流体力学基本方程组和边界层传热理论，推导出适用于非接触式机械密封性能分析计

6、算的控制方程一广义不可压缩流体Reynolds方程以及适用于不可压缩流体的能量方程，建立了较完整的考虑TEHD效应的流体静压型机械密封数学模型。基于有限差分法离散各控制方程，基于有限元变形理论计算密封环的热弹变形，建立了流体静压机械密封的流、固、热親合分析模型。第3章流体静压型机械密封性能研究64-903.1引言643.2单、双锥端面流体静压型机械密封性能对比研究64-713.3双锥面流体静压型机械密封端面优化设计71-793.4流态对双锥面流体静压型机械密封性能的影响79-843.5密封环材料对

7、密封性能影响对比研究84-893.6本章小结89-90第4章锥孔组合端面流体动静压型机械密封性能研究90-1354.1引言90-924.2数学模型92-1014.3斜排微孔端面机械密封富集效应的理论研究101-1074.4锥面-微孔组合端面机械密封性能理论研究107-1214.5孔尺寸对密封性能的影响121-1264.6锥-大孔组合端面流体动静压型机械密封性能研究126-1334.7本章小结133-135第5章流体动静压型机械密封性能实验研究135-1615.1引言135-1365.2核主泵用机械

8、密封试验台设计136-1425.3测量装置的选定及其测量方法142-1455.4密封环端面形貌的加工145-1535.5实验研究153-1595.6本章小结159-161结论目前，国内外的核主粟密封研究或公幵的设计资料报道较少，近年来国内学者对核主泵机械密封进行了大量的研究工作，但相关技术仍被国外世界密封巨头所垄断。为打造具有自主知识产权的RCP-MS产品，打破国外技术垄断，本文基于稳态热弹流理论，并考虑端面间液膜流态的影响，建立了液体静压型机械密封三维传热模型，对其温度场、压力场