[发明专利]核主泵用流体动压式机械密封及核主泵机械密封系统

说明书

技术领域

本发明属于核主泵用机械密封领域，涉及一种核主泵用流体动压式机械密封及核主泵机械密封系统，特别涉及一种核主泵用的、在密封端面外侧开设槽底面为曲面的浅槽的流体动压式机械密封和包括该机械密封的核主泵机械密封系统。

背景技术

核主泵用机械密封的作用是控制具有放射性的反应堆冷却剂沿核主泵轴的泄漏，它是核主泵的核心部件之一，其性能好坏很大程度上决定着核电站能否长周期安全可靠运行。核主泵流量高达每小时24000立方米，驱动电机功率约为6500千瓦，转速约为每分钟1500转，运行压力约为16兆帕。由于功率大，压力高，需要采用由多级机械密封串联的密封系统实现可靠和长寿命密封。目前国际上核主泵使用的机械密封系统有两类，一类是第一级采用流体静压式机械密封、第二级和第三级采用接触式机械密封的三级串联机械密封系统，另一类是均采用流体动压式机械密封的三级串联机械密封系统。

出现最早、到目前为止应用也最为广泛的核主泵用流体动压式机械密封是在其中一个密封环的平端面开设一系列深度为毫米级的半圆槽、圆弧槽、U形槽、直线槽或者台阶结构，在运转时，密封环平端面在不均匀的力和热的共同作用下沿周向产生周期性的、幅度为微米级的局部变形，由于局部变形产生的动压效应使进入该区域的密封流体的压力升高，该压力作用在相互贴合的动、静环密封端面上，将这两个面推开而不接触，并在之间形成连续、稳定的液膜，实现非接触密封。这种流体动压式机械密封的优点是结构简单，毫米级的深槽比较容易加工，但是也存在显著缺点，即由不均匀的力和热的共同作用所产生的局部变形一般不是能够产生较强流体动压效应所需的几何形状，因此造成液膜的厚度或刚度不足，此外当轴封注入水的温度、压力和核主泵转速改变时，还会引起密封端面产生的局部变形发生变化，液膜稳定性较差，抗干扰能力不强，当核主泵启动、停止或低速运行时，两密封端面会处于接触状态，造成磨损，影响密封寿命。

另一种核主泵用流体动压式机械密封是在硬质密封环的平端面外侧沿周向开设深度为微米级的波纹面。例如，奥地利Andritz公司20世纪90年代开发的核主泵用流体动压式机械密封的动环密封端面设有波纹面，但是其波纹面的具体形状和参数至今没有公开。《机械工程学报》2012年48卷13期标题为“核主泵用流体动压密封环复杂形面超精密磨削”的论文公开了一种在密封环平端面外侧开设等倾波纹面的核主泵用流体动压机械密封。然而，除了与密封坝面交点外，等倾波纹面的波峰与密封坝面不等高，不利于流体动压效应，限制了密封系统的承载能力和稳定性。《机械工程学报》2013年49卷5期标题为“核主泵用斜波纹面型密封环超精密磨削方法”的论文公开了一种在密封环平端面外侧开设斜波纹面的核主泵用流体动压机械密封。虽然斜波纹面的波峰与密封坝面理论上等高，但由于存在加工误差，实际上二者也是不等高的。

另一种核主泵用流体动压式机械密封是在硬质密封环的平端面外侧沿周向开设一系列深度为微米级的浅槽。公知的在密封端面开设浅槽的流体动压式机械密封，还存在不足。

例如，目前的浅槽在其收敛区域一般采用陡立的槽壁结构，即从坝区和堰区所在的平面以直角立面的形式直接达到槽底，导致液膜厚度在陡立槽壁处阶跃性突变，密封介质被突然压缩，而不是被渐进压缩，因而流体动压效应受到削弱，影响密封运行的稳定性和可靠性。

例如，普通的平底等深螺旋槽、圆弧槽、叶形槽、T形槽、Y形槽、L形槽以及各种异形槽，由于槽深相等，属于二维收敛型动压槽，流体动压效应不强，所以在一定工况下，流体膜厚度不足，或者在一定流体膜厚度下流体膜的刚度不足，造成密封性能的不稳定。

通过在密封端面开设三维收敛型动压槽来增强端面流体的动压效应，进而增大端面流体薄膜的承载能力和流体膜薄刚度，从而提升密封运行稳定性和可靠性并延长使用寿命，是机械密封的主要研究方向之一。