阅读说明：本技术 用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置 (External axial force balancing device for nuclear main pump of passive nuclear power plant ) 是由 马柏松 吴放 缪正强 黄晓杰 庄亚平 贾子瑜 于 2019-11-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置,包括加压装置,加压装置与存储冷却水的容器相连通,加压装置的压力出口通过管路与疏水阀连接,疏水阀与所述核主泵的疏水管嘴连接,疏水阀与加压装置间的管路上设有压力传感器；压力传感器和所述核主泵内的转速传感器与控制系统相连,控制系统控制加压装置输出压力的大小。本发明无需改变核主泵的内部结构,通过外置式的轴向力平衡装置提供辅助提升力,部分抵消转子组件的重力,可使得下推力轴承及下推力盘之间的水膜在核主泵启动过程中尽快建立、在核主泵停止过程中继续保持；同时也改善了核主泵启动/停止期间下推力盘的受力状况,使得下推力盘的使用寿命得以延长。(The invention discloses external axial force balancing devices for a nuclear main pump of a passive nuclear power plant, which comprise a pressurizing device, wherein the pressurizing device is communicated with a container for storing cooling water, a pressure outlet of the pressurizing device is connected with a drain valve through a pipeline, the drain valve is connected with a drain nozzle of the nuclear main pump, a pipeline between the drain valve and the pressurizing device is provided with a pressure sensor, the pressure sensor and a rotating speed sensor in the nuclear main pump are connected with a control system, and the control system controls the output pressure of the pressurizing device.)

用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置

技术领域

本发明为用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置，属于核发电厂核主泵技术领域。非能动核电厂在此是指采用AP1000、CAP1000和CAP1400等技术的核电厂。

背景技术

核主泵主要用于向反应堆输送反应堆冷却剂，实现反应堆冷却剂在反应堆和蒸汽发生器之间的循环。如附图1所示，非能动核电厂每台蒸汽发生器1-2下封头的两个管嘴上分别悬挂一台核主泵1-1，泵的水力部件在上部，电动机部件在下部。反应堆冷却剂从蒸汽发生器1-2下封头流出后，沿轴向吸入核主泵1-1，经核主泵1-1的出口管嘴径向流入主管道1-3，然后流经反应堆1-4，再通过主管道1-3返回蒸汽发生器1-2，完成一个循环。

与其它核电厂相比，非能动核电厂采用无轴封泵作为核主泵。如附图2所示，核主泵的整个转子组件均被包容在反应堆冷却剂的压力边界内，泵机组不存在泵壳与电动机之间传动轴的动密封结构，从根本上消除了泵壳内的反应堆冷却剂通过动密封结构向外界泄漏的可能性。

核主泵运行时，热屏/迷宫密封3将泵壳内的反应堆冷却剂和定子组件19与转子组件5之间腔室的冷却水隔开，起着隔热的作用。热屏/迷宫密封3允许反应堆冷却剂以小流量流入定子组件19与转子组件5之间腔室，也允许定子组件19与转子组件5之间腔室的冷却水以小流量流入泵壳1内，以维持热屏/迷宫密封3两侧的压力基本一致。

定子组件19与转子组件5之间腔室的冷却水通过外置热交换器20冷却，冷却后的冷却水通过核主泵下部进入定子组件19与转子组件5之间腔室，通过转子组件5上的辅助叶轮(见转子组件5下部虚线所示，为转子组件的一部分)吸入。辅助叶轮排出的冷却水分为两路，小部分冷却水向下流动，冷却上推力轴承6、上推力盘7、下飞轮8、下推力盘9、下推力轴承10后返回辅助叶轮入口；大部分冷却水向上流动，冷却定子组件19、转子组件5、上飞轮4后返回外置热交换器20。

核主泵轴向力是由液体作用在叶轮2前后盖板压力差而形成的指向叶轮2吸入口的轴向力(即叶轮2旋转引起的提升力)和转子组件5的自重形成的合力。核主泵启动/停止及运行过程中，转子组件5的重力是恒定不变的，但叶轮2旋转引起的提升力却随转速的增加而增加，核主泵转速超过一定值时，核主泵轴向力转向。当转速低于该值时，叶轮2旋转产生的提升力小于转子组件5重力，下推力轴承10通过下推力盘9为转子组件5提供向上的推力；当转速高于该值时，叶轮2旋转产生的提升力大于转子组件5重力，上推力轴承6通过上推力盘7为转子组件5提供向下的推力。上推力盘7和下推力盘9分别位于下飞轮8的上下两侧，上飞轮4上下两侧不设推力盘。

在核主泵启动/停止期间，转子组件转速较低，叶轮2旋转产生的提升力小于转子组件5重力，下推力轴承10通过下推力盘9为转子组件5提供向上的推力。一方面，无轴封泵推力轴承使用水润滑轴承，当转速较低时，下推力轴承10及下推力盘9之间水膜尚未完全建立或者被破坏，摩擦副一定程度上处于干摩擦状态，长时间处于干摩擦状态可能影响水润滑轴承的长期可靠运行。另一方面，核主泵启动/停止期间，因下推力盘9受力较大容易导致下推力盘9故障，并最终可能造成核主泵故障停运。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：通过外接装置解决了核主泵启动和停止过程中因为轴向力不平衡而导致的下推力轴承及下推力盘易磨损、易损坏的问题，而无需对核主泵的内部结构进行改造。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置，其特征在于，包括加压装置，加压装置通过管路与存储冷却水的容器相连通，加压装置的压力出口通过管路与疏水阀连接，疏水阀与所述核主泵的疏水管嘴连接，疏水阀与加压装置间的管路上设有压力传感器；压力传感器和所述核主泵内的转速传感器与控制系统相连，控制系统控制加压装置输出压力的大小。

其中，辅助顶升力F可通过公式F＝(P1-P2)×S计算得到，

式中，P1——转子组件与定子组件之间腔室的压力；

P2——反应堆冷却剂的压力，即泵壳内流体的压力；

S——热屏/迷宫密封处轴的横截面积。

优选地，在所述加压装置与疏水阀之间的管路上还设有流量传感器和温度传感器。

优选地，所述加压装置的一种实现方案，包括储水箱，储水箱内部存储有冷却水，储水箱顶部设有通气孔与大气相通，储水箱底部通过管路与容积泵入口连接，容积泵的控制端与控制系统相连接，在控制系统的控制下由出口向外输出一定压力的冷却水，容积泵的出口通过管路与隔离阀的入口连接，隔离阀的出口通过管路与逆止阀的入口连接，逆止阀的出口即为所述加压装置的压力出口。

优选地，所述加压装置的另一种实现方案，包括自动调压阀，自动调压阀的入口通过管路与核电厂高压氮气系统的管路相连通，自动调压阀的出口通过管路与逆止阀的入口连接，逆止阀的出口通过管路与蓄压箱上部入口连接，蓄压箱内部存储有冷却水；自动调压阀的控制端与控制系统相连接，在控制系统的控制下输出一定压力的高压氮气至蓄压箱，蓄压箱内的冷却水由蓄压箱下部出口向外输出一定压力的冷却水，蓄压箱上部出口通过管路分别连接泄压阀和起限压作用的安全阀，泄压阀的出口和安全阀的出口均与大气相通，泄压阀的控制端与控制系统相连接。

本发明取得的有益效果是：在核主泵启动或停止时，使用加压装置通过核主泵下部疏水阀将高压水注入核主泵转子组件与定子组件之间的腔室，在核主泵启动加速至某一转速或停泵时自某一转速至完全停止前，维持转子组件与定子组件之间腔室的压力高于泵壳内的压力，其压差作用在核主泵的轴上(受力面积为热屏/迷宫密封处轴的横截面)，为核主泵转子组件提供辅助顶升力，以部分抵消转子组件的重力，可使得下推力轴承及下推力盘之间的水膜在核主泵启动时尽快建立、核主泵停止过程中继续保持，使得水润滑轴承长期可靠运行得到进一步保证；同时也改善了核主泵启动或停止期间下推力盘的受力状况，使得下推力盘的使用寿命得以延长。完全通过外接装置实现对核主泵轴向力的平衡控制，无需对核主泵的内部结构进行改造。

附图说明

图1为核主泵的安装位置示意图；

图2为现有非能动核电厂核主泵结构示意图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；

图4为本发明实施例1的控制框图；

图5为本发明实施例2的结构示意图；

图6为本发明实施例2的控制框图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

一种用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置，如图3所示，包括压力传感器21、流量传感器22、温度传感器23、逆止阀24、隔离阀25、容积泵26、水箱15及管路。水箱15内储存有冷却水，水箱15与大气环境相通，保持常压状态。通过调节容积泵26自动调节转子组件与定子组件之间腔室的压力。

其控制框图如附图4所示，随核主泵转速的增加或降低，叶轮2旋转产生的提升力同步增加或降低，通过同步调节转子组件与定子组件之间腔室的压力，改变转子组件上的辅助顶升力，以部分抵消转子组件的重力。

将转速传感器14测得的转速信号和压力传感器21测得的压力信号作为输入，传递给控制系统27，控制系统27通过控制容积泵26来调节压力。

设置流量传感器和温度传感器是为了监测进入核主泵的冷却水的流量及温度，以供生产人员参考，判断其对核主泵内部冷却情况的影响。

核主泵执行启动或停止操作之前，手动打开核主泵疏水阀13，通过控制系统27自动调节容积泵26将转子组件与定子组件之间腔室的压力调至合适大小。控制系统27根据转速传感器14输入的转速信号和压力传感器21输入的压力信号调节转子组件与定子组件之间腔室的压力。

核主泵启动过程中，当转速高于某一值时，叶轮旋转产生的提升力已经足够大，此时已不再需要本装置继续工作，则继续通过调节容积泵26逐渐调低转子组件与定子组件之间腔室的压力，当压力与反应堆冷却剂的压力(即泵壳内流体的压力)一致后，手动关闭疏水阀13，本装置退出工作。

当核主泵正常运行时，叶轮2旋转产生的提升力大于转子组件5的重力，不需要本装置工作，疏水阀13保持关闭状态。

实施例2

一种用于非能动核电厂核主泵的外置式轴向力平衡装置，如附图5所示，包括压力传感器21、流量传感器22、温度传感器23、逆止阀24、自动调压阀28、蓄压箱29、泄压阀30、安全阀31和管路。蓄压箱29内储存有冷却水，通过管路与核电厂的高压氮气系统连接，自动调压阀28和泄压阀30在控制系统27的控制下自动调节蓄压箱24内氮气的压力，从而控制转子组件与定子组件之间腔室的压力。

将转速传感器14测得的转速信号和压力传感器21测得的压力信号作为输入，传递给控制系统27，控制系统27控制自动调压阀28和泄压阀30自动调节出口压力，从而调节转子组件与定子组件之间腔室的压力。

当自动调压阀28完全关闭后，若仍然需要进一步调低转子组件与定子组件之间腔室的压力，控制系统27控制调节泄压阀30的阀门开度来进一步调节压力。

核主泵执行启动或停止操作之前，手动打开核主泵疏水阀13，调节自动调压阀28的出口压力，将转子组件与定子组件之间腔室的压力调至合适大小。控制系统27根据转速传感器14输入的转速信号和压力传感器21输入的压力信号调节转子组件与定子组件之间腔室的压力。

核主泵启动过程中，当转速高于某一值时，叶轮旋转产生的提升力已经足够大，此时已不再需要本装置继续工作，则继续逐渐降低蓄压箱24的压力，当压力与反应堆冷却剂的压力(即泵壳内流体的压力)一致后，关闭疏水阀13，本装置退出工作。

当核主泵正常运行时，叶轮2旋转产生的提升力大于转子组件5重力，不需要本装置工作，疏水阀13保持关闭状态。