CN111828336A - 一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案 - Google Patents

Abstract

一种适用于核电站核岛及舰船核动力装置的核主泵或核风机/压缩机一体化耦合设计方案，其主要设计特征在于驱动电机和过流部件一体化两支点总体结构设计以减少噪声源；采取锥面非接触双向推力永磁轴承或电磁轴承以降低噪声值；配置钛合金、铝合金或碳纤维轻质叶轮以提升轴系静音水平；轴系转动部件内置于承压壳体边界之中防止工作介质破口外漏和放射性逸出；绕组采用增强绝缘技术以改善辐照老化性能；设置绝热屏以阻断热量向电机腔体传导。该方案具备超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护技术特点，媲美甚或优于欧洲美国同类产品。既适用于核电核军工领域，亦可用于光热发电、火力发电、石油化工、煤化工等行业，属于泵和风机压缩机技术领域。

Description

一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案

(一)技术领域：

本发明是一种适用于核电站核岛一回路及舰船核动力装置的核主泵或核风机/压缩机设计方案，其主要结构特征在于驱动电机(驱动端)和过流部件(过流端)奉行一体化两点悬臂梁支承结构耦合设计理念，将轴系支承简化到最少的程度以减少噪声源；采取锥面非接触双向推力永磁轴承或电磁轴承作为轴系主力轴承，以传统滑动轴承或滚动轴承作为辅助轴承的转子动力学布置型式以降低噪声值；轴承和电机转子浸没于工作介质当中且被定子绕组和电机壳体所密闭在内可有效屏蔽或阻断设备噪声的传播；叶轮选用轻质材料(相对于钢质叶轮)比如钛合金、铝合金或碳纤维以改善转子动力学运转特性并提升轴系静音水平；机壳壳体、电机壳体一般作为核岛一回路承压边界，轴系内置于承压壳体边界之中，通过电气贯穿件输入电能，无需采用轴向机械密封或屏蔽套防止工作介质破口外漏和放射性逸出；电机定子绕组在常规绝缘的基础上叠加辐照交联聚乙烯增强绝缘技术、聚合物硅酸盐增强绝缘技术或陶瓷绝缘增强技术以提升绕组线圈在放射性工作介质当中的辐照老化性能；过流端和驱动端间按照“炉钩原理”设置绝热屏结构并作绝热涂层设计以阻断工作介质向驱动电机方向的热传导、热辐射；采用上述设计方案的核主泵、核风机/压缩机具有优异的超静音技术指标，可媲美甚或超过美国、欧洲及俄罗斯同等功率同类产品技术性能指标。该设计方案具备超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护的技术特点，既适合应用于核电核军工领域，亦可应用于光热发电、火力发电、石油化工、煤化工等领域，属于泵和风机压缩机技术领域。

(二)背景技术：

传统的核级泵和核级风机压缩机设备通常驱动端(一般为两轴承悬臂梁转子结构电动机)和过流端(一般为两轴承悬臂转子或两端支承结构泵或风机压缩机)是两个独立的单体设备，多数情况下由两个不同的生产部门制造试验且分体布置；两个单体设备共享焊接或铸造底座组成一个机组并结合成一个轴系，轴系靠膜片联轴器挠性连接或锥套联轴器刚性连接，通常根据运行工况需求既可以设计为刚性转子也可以设计为挠性转子，由于联轴器串起的轴系在驱动端和过流端各有两个支承点即两套轴承副，这样一个典型标准的转子动力学总体布置方案简称为“四轴承”布局方案。

驱动端和过流端转子轴承通常选用静音滚动轴承(设备PN值≤1000000时可选，PN值为额定功率和额定转速的乘积，表征选配轴承的极限使用工况)或动压滑动轴承(设备PN值≥1000000时必选)。油脂润滑、溅油润滑、油浴润滑一般适用于装配滚动轴承的设备，油站系统一般适用于滑动轴承的强制润滑和油温冷却，过流端轴承箱体有时会配置风冷或水冷辅助系统；动力端根据运行工况有时也会为了控制轴承和绕组线圈温升不超过规范要求而配置空冷或水冷系统。传统的设备“四轴承”总体布置方案也会产生若干变种方案：动力端功率不大的时候，设备有时会去掉一个流体端支承点简化为“三轴承”总体布置方案；大功率且配带惰飞轮的时候，流体端也会在惰飞轮前后各设置一个支承点形成“五轴承”总体布置方案，惰飞轮的功能是泵或风机在失电情况下靠惯性惰转排出堆芯余热。

传统布置方案一旦设计定型，其转子动力学特征就已固化确定，设备固有频率、临界转速、振动数值水平、噪声数值水平、机脚加速度水平就基本稳定在某个数量级水准。除了通过提高制造精度、轴系动平衡精度、轴承精度(选配静音轴承)和装配精度等能够略有改善之外，很难有本质上的提升和突破。这是目前军工转动设备“减振降噪”普遍面对的一个无法突破临界值的困境。

鉴于驱动端和过流端轴系联结和传递扭矩的需要，过流端传动轴通常在穿出过流部件的位置设置机械密封、填料密封或干气密封(风机压缩机设置)并配套设置密封管路系统，根据工作介质选配冲洗方案、冷却或保温系统和报警装置等；密封失效会造成核反应堆“LOCA”大破口事故，即一回路高温高压放射性工作介质大面积泄露和放射性逸出，并导致核反应堆堆芯裸露及余热导致的堆芯熔毁。

屏蔽式核主泵/风机压缩机是在轴封泵“四轴承”总体布置方案技术基础上发展进化而来的一种“两轴承”总体布置方案新泵型。驱动端和过流端采用了一体化设计方式大幅度简化了轴系并降低了轴系复杂程度，本质上大幅度减少了支承数量和噪声源，这是屏蔽泵噪声水平比轴封泵噪声水平能够降低一个数量级以上的原因所在。屏蔽泵的另一个优点是彻底取消了轴向机械密封，设备轴系被屏蔽在一个承压边界之内，杜绝了轴封大破口事故和放射性泄露。但屏蔽泵的一回路承压边界是屏蔽套，屏蔽套设置在驱动电机转子和定子的回转间隙之间并紧贴在电机定子绕组内圆表面，转子旋转切割磁力线使屏蔽套产生大量的涡流热(发热功率约占电机额定功率的七分之一)。涡流热若不及时冷却导出，会造成定子转子回转间隙中的工作介质快速温度升高，温度升高后的工作介质使得双向推力轴承的运行环境极为苛刻，容易产生轴承烧毁的严重事故。轴系运行期间，径向轴承刚度下降和推力轴承不均匀偏磨均会造成转子动平衡的破坏，从而导致运转轴系不对中和屏蔽套偏磨损毁和定子绕组绝缘破坏。三门核电站屏蔽套偏磨损毁及定子绕组绝缘失效故障就是如此。

不足之处：轴封式核主泵/风机压缩机“四轴承”、“五轴承”、“三轴承”设计布置方案从静音设计角度来看都存在先天不足，支承过多意味着噪声源也多，接触式轴承配套选型从本质上很难获得超静音突破；轴封泵的真正软肋是机械密封的失效容易造成“LOCA”大破口事故和堆芯熔毁。除此之外，轴封泵还有电机绕组不耐辐照，设备轴系损失较大、效率较低，轴承、密封、口环、叶轮易损件较多维护不易，设备重量体积比同等功率屏蔽泵大很多的缺点。屏蔽泵进化以后，解决了轴系设计过于复杂，支承过多噪声源过多的问题，同时巧妙地取消了机械密封，彻底杜绝了“LOCA”大破口事故和由此产生的堆芯熔毁。但设备设计引入的关键部件屏蔽套涡流热容易导致工作介质温度升高，推力轴承运行环境变得更为恶劣且较易产生推力轴承烧毁故障和屏蔽套偏磨损毁及定子绝缘破坏。屏蔽泵配置接触式动压滑动轴承其静音水平虽比轴封泵静音水平低一至两个数量级，但是噪声技术指标还是具有很大潜力可以挖掘。

(三)发明内容：

本发明提出了一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1、图2所示，入口段(1)、扩散段(2)、固定导叶(3)、过流壳体(4)、锁紧螺母(5)、叶轮(6)、绝热屏(7)、压盘(8)、密封环(9)、紧固螺柱螺母(10)组成核主泵/风机压缩机的过流部件，简称过流端；轴(11)、传动键(12)、下辅轴承(13)、下主轴承(14)、电机壳体(15)、电机定子(16)、电机转子(17)、上主轴承(18)、上辅轴承(19)、电气贯穿件(20)、接线盒(21)、电机顶盖(22)、电机紧固螺柱螺母(23)组成核主泵/风机压缩机的驱动部件，简称驱动端；锁紧螺母(5)、叶轮(6)、轴(11)、传动键(12)、下辅轴承(13)轴承副动环部分、下主轴承(14)轴承副动环部分、电机转子(17)、上主轴承(18)轴承副动环部分、下辅轴承(19)轴承副动环部分、惰飞轮(24)组成核主泵/风机压缩机的轴系部件。驱动电机绕组和轴系部件内置于一个整体式过流壳体(4)、电机壳体(15)、电机顶盖(22)承压边界中，压力边界全部由马氏体整体锻件制成的零件组成；零部件避免焊接、焊后热处理及在役检查；高强度、高热导率、相似的热膨胀率、无焊接应力、无缺陷风险、免在役检查的承压部件结构均匀，质量进度可控，工作寿命已得到压水堆核电业绩证明和保障；超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案具有超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护的技术特点，适合应用于核电核军工领域，特别是核动力航母或核动力潜艇用超静音核主泵。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案的主要设计特征之一是驱动端(一般为驱动电机、水轮机、汽轮机、燃气轮机、柴油机等)和过流端(一般为泵、风机、压缩机等)一体化、两支点耦合集成设计的转子动力学总体方案布置，定子绕组、转子绕组、轴承和叶轮浸没在工作介质之中，过流机壳、电机壳体、电气贯穿件和电机顶盖作为承压边界，这是转动设备超静音设计的关键基础技术，类似于刺绣的底布或国画的宣纸，为创新叠加更多的新颖尖端的超静音技术措施奠定了坚实的框架基础。驱动端和过流端一体化两支点耦合集成设计总体布置方案的主要工作原理是：跳出传统转动设备分体式总体结构布局设计的框框束缚，将设备轴系部分简化到最少的两个支承点，最大幅度地减少了轴承的配置，挑战了总体结构设计的极限；这一创新设计方案大幅度减少支承数量本质上意味着噪声源数量的减少，缩短了轴系，降低了重心(如设备为立式安装使用)，并为其它配套创新设计应用奠定了坚实的结构基础；耦合设计思想打破了制约“减振降噪”裹足不前的技术“天花板”，为跨越式突破传统“四轴承”总体布置方案振动噪声临界值，实现转动设备超静音设计目标(在传统转动设备振动噪声基础上降低一至两个数量级水平)提供了可行可靠的潜在技术路径。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案的主要设计特征之二是在驱动端和过流端一体化两轴承耦合设计的总体结构设计基础上，主力轴承选用配置高压高速大功率长寿命(连续运转寿命四十年)非接触式锥面双向推力永磁轴承副或锥面双向推力电磁轴承副，辅助轴承选用配置中高速大扭矩长寿命(连续运转寿命六十年)介质润滑或无油润滑炭纤维浸银材质双向推力轴承副和径向轴承副；非接触主力轴承副的运转工作间隙小于辅助轴承副的运转工作间隙，主力轴承副在正常工作状态下的时候辅助轴承副保持非工作待机状态。这一设计措施的工作原理和创新之处在于：非接触式永磁轴承或电磁轴承副的应用可以最大限度地降低转子和轴承的噪声，从而最大程度地实现轴系的超静音；鉴于设备在启动或停车的时候，电磁磁场在低速情况无法同步建立，需要设置辅助轴承来保障轴系的稳定性和可靠性；或者在主力轴承副工作失效的情况下，辅助轴承副作为备用纵深防御技术措施可以迅速投入使用。配置非接触主力轴承副+接触式辅助轴承副的核主泵/风机压缩机设备结构简单紧凑，可靠实用。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案的主要设计特征之三是电机转子(17)采用稀土汝铁硼或钐钴永磁表贴转子体，亦可采用传统铁芯绕组转子体并设电刷；电机定子(16)绕组在聚氨酯绝缘涂层基础上叠加浸涂聚合物硅酸盐基防腐绝缘涂膜，或者浸涂聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜，或者挤出热套辐照交联聚乙烯增强绝缘防护膜。定子绕组在传统聚氨酯绝缘涂层基础上叠加采用聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜、聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜或辐照交联聚乙烯铜线铜缆增强绝缘防护膜是超静音核主泵/风机压缩机设备的一个工艺技术创新点。这一增强绝缘工艺的工作原理在于：驱动端和过流端一体化两支点耦合设计总体布置方案的优点是减少了设备轴系支承点，且便于非接触式永磁轴承或电磁轴承的配置应用；但一体化耦合设计带来的缺点是电磁轴承绕组和驱动电机绕组浸泡于高温工作介质当中(如核主泵、控制棒水力驱动泵浸泡于一回路高温除盐水、氦主风机浸泡于一回路工况高温氦气工作介质)，需特别考虑高温介质及辐照环境下的绕组六十年持久绝缘老化问题。聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜、聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜或辐照交联聚乙烯铜线铜缆增强绝缘防护膜在强辐照长时间(六十年)工作条件下，绕组绝缘电气性能不仅不随着时间老化下降，还会表现出绝缘电气性能随着时间缓慢提升的特点，彻底圆满地解决了湿绕组电机定子绕组或电磁轴承绕组辐照老化和热老化的软肋和瓶颈。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案的主要设计特征之四是抽芯式高效轻质过流部件水力设计和结构设计。借鉴国际优秀的叶轮三元或准三元离心式或混流式水力设计模型，依据正常运行工况点为最优效率点进行等比转速模型相似换算得到核主泵叶轮水力设计剪裁图；采用计算流体动力学法设计的整体式双蜗壳流道泵体装有离心式导叶，辅之以匹配的上下口环及平衡孔设计，泵的水力效率和风机压缩机气动效率较高，且装置汽蚀余量满足设计要求；轴向力和径向力可以达到最大限度的水力自适应平衡(导叶用于平衡径向力，口环和平衡孔用于平衡轴向力)，这是轴系转子动力学特性优良，运行平稳可靠的关键所在。抽芯式高效轻质过流部件水力设计和结构设计的创新之处在于：叶轮(5)、惰飞轮(24)等集中载荷不大的轴系通常配带应用普通马氏体不锈钢叶轮、奥氏体不锈钢叶轮或沉淀硬化不锈钢，集中载荷较大的轴系除了配带应用普通马氏体不锈钢叶轮或沉淀硬化不锈钢之外，为了提高轴系的一阶临界转速，亦可根据材料的极限飞逸线速度计算值选用配带各类轻质量叶轮，如钛合金叶轮、铝合金叶轮或碳素纤维编织叶轮。基于50HZ电网频率设计开发的水力模型一般适用于国内项目，相同水力性能参数但用于60HZ电网频率的水力模型几何尺寸一般略小一些，应尽量考虑两种水力模型共享一套驱动电机和绝热屏设计方案以提高零部件通用性，方便核电项目走出国门。抽芯式结构可以将电机和叶轮部分从上方或侧方抽出，有利于战略备件快速维修。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案的主要设计特征之五是独特的绝热屏结构设计和循环冷却回路设计。为了确保电机定子绕组和工作介质润滑的辅助轴承副工作温度维持在一个适当的区间，过流端和驱动端之间按照“炉钩原理”通常配备绝热屏部件来阻断高温过流部件一侧的热量传递至电机腔，为定子绕组营造局部低温安全运行环境，防止定子绕组高温绝缘失效和防止永磁转子高温退磁失效。绝热屏通常在金属热屏腔体结构设计中间采用极低热导率的非能动材料如聚合物硅酸盐基发泡绝热材料厚涂层或含锆硅酸铝厚毡填充层作为绝热层来实现，或者采用配置外部冷却水的能动型冷却设计来实现；或者兼而有之。热屏冷却系统可直接利用过流端内部高压冷却回路以及核电站设备冷却水系统提供的公共低压冷却回路，亦可在轴系部件上设置辅助叶轮或泵送环，通过辅助叶轮或泵送环做功后使冷却剂强制流过转子与定子之间的间隙和定子绕组，最后通过叶轮上的平衡孔回流到叶轮的吸入侧。绕组可以达到最佳冷却效果，避免内部热点，对湿绕组电机使用寿命的延长及效率的提高大有好处。

超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案五个方面的创新设计特征大体勾勒出了超静音转动设备的总体技术轮廓。除了超静音、零泄漏、耐辐照技术特点外，该设计方案还能避免引发LOCA失水事故和放射性逸出，免轴封维护；具备技术先进、运转可靠、效率较高、结构简单、易于操作保养的特点，有助于提升一体化多用途核反应堆安全水平，改善军工核岛项目技术经济性；与同等功能参数的传统高噪声转动设备相比，超静音核主泵的外形尺寸在竖直高度方向节省了三分之一的安装空间；从动力端俯视方向的径剖平面来看，离心泵主体截面尺寸相当，但由于省却了供油润滑油站系统，密封冷却管路系统，仅剩余电机冷却一个辅助系统，径向截面安装空间至少节省三分之一以上。对航空母舰和潜艇等舰艇紧凑型系统设备布局而言，超静音核主泵/风机压缩机安装空间的有效集约意义重大。

(四)附图说明

附图1为本发明在高温气冷堆或超高温气冷堆核电项目主氦风机应用方面一种结构示意图。

附图2为本发明在核动力航母/核动力潜艇或压水堆核电站核主泵应用方面的一种结构示意图。在图1基础上增加了惰飞轮(24)。

附图3为本发明在石油化工领域芳烃工艺流程泵及光热发电领域蒸发器电动给水泵应用方面的一种结构示意图。在图1基础上取消了下辅轴承(13)和上辅轴承(19)，下主轴承(14)和上主轴承(18)必须配备永磁轴承。

(五)具体实施方式

附图1为本发明在高温气冷堆或超高温气冷堆核电项目主氦风机应用方面一种实施例。

高温气冷堆或超高温气冷堆核电项目主氦风机的工作介质为一回路冷却剂250℃、7MPa氦气，氦气气氛中混有携带放射性的石墨粉尘，工作介质流量96KG/S，升压差200KPa；主氦风机主要功能是将250℃的冷氦气通过强制循环送回核反应堆加热变成750℃热氦气，热氦气进入逆流直流蒸汽发生器与二回路工作介质换热生成超临界过热蒸汽推动汽轮机组发电，换热冷却后的冷氦气周而复始循环回到堆芯。工作介质从入口段进入叶轮入口，做功升压后从固定导叶和扩散段流出；过流端和驱动端一体化两支点耦合设计，马氏体不锈钢材质过流壳体、电机壳体和电机顶盖构成主氦风机一回路承压边界，叶轮采用成熟高效准三元气动模型相似换算设计并选用钛合金轻质材料，轴选用沉淀硬化不锈钢材质。驱动电机功率4500KW，9000rpm，主力轴承副选用非接触锥面双向推力永磁轴承，辅助轴承选用无油润滑石墨浸银材质双向推力轴承副和径向轴承副；电机转子采用稀土汝铁硼或钐钴永磁表贴转子体，电机定子绕组在传统聚氨酯绝缘涂层基础上叠加采用聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜。绝热屏采用奥氏体不锈钢材质组焊并涂覆聚合物硅酸盐发泡绝热厚涂层，并采用强制外部冷却水循环冷却阻断主要热量流入电机腔体，为定子绕组局部营造不超过80℃低温安全运行环境，防止定子绕组高温绝缘失效和防止永磁转子高温退磁失效。电机壳体或定子绕组内部亦设置强制冷却孔道带走电机运行发热热量。主氦风机应用实施例具备超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护的技术特点。

附图2为本发明在核动力航母/核动力潜艇或压水堆核电站核主泵应用方面的一种实施例。

核动力航母/核动力潜艇或压水堆核电站核主泵的工作介质为一回路冷却剂260℃～275℃、15.7MPa～17.3MPa除盐水，工作介质流量200KG/S～4000KG/S，扬程50m～121m左右；核主泵主要功能是将260℃～275℃的冷除盐水通过强制循环送回核反应堆加热变成290℃～340℃热除盐水，热除盐水进入U形管壳式蒸汽发生器与二回路工作介质换热生成饱和蒸汽推动汽轮机组发电，换热冷却后的冷除盐水周而复始循环回到堆芯。工作介质从入口段进入叶轮入口，做功升压后从双蜗壳泵壳体流出；过流端和驱动端一体化两支点耦合设计，马氏体不锈钢材质过流壳体、电机壳体和电机顶盖构成核主泵一回路承压边界，叶轮采用成熟高效三元水力模型相似换算设计并选用钢质材料(核电专用)或钛合金轻质材料(核电军工通用)或碳纤维轻质材料(军工专用)，轴选用沉淀硬化不锈钢或马氏体不锈钢材质。驱动电机功率1000KW～9000KW，电机转速1500rpm～3000rpm；主力轴承副选用非接触锥面双向推力电磁轴承，辅助轴承选用无油润滑炭纤维浸银或粉末冶金材质双向推力轴承副和径向轴承副；电机转子绕组和电机定子绕组在传统聚氨酯绝缘涂层基础上叠加采用聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜(电机转子亦可采用稀土永磁转子)。绝热屏采用奥氏体不锈钢材质组焊并涂覆聚合物硅酸盐发泡绝热厚涂层，并采用强制外部冷却水循环冷却阻断主要热量流入电机腔体，为定子绕组局部营造不超过65℃低温安全运行环境，防止定子绕组高温绝缘失效和防止永磁转子高温退磁失效。电机壳体或定子绕组内部亦设置强制冷却孔道带走电机运行发热热量。核主泵应用实施例具备超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护的技术特点，静音指标可媲美欧洲美国同类产品。

附图3为本发明在石油化工领域芳烃工艺流程泵及光热发电领域蒸发器电动给水泵应用方面的一种实施例。

石油化工领域芳烃工艺流程泵的工作介质为一回路各种温度范围、各种压力范围芳香烃，芳烃工艺流程泵流量扬程随工艺和装置不同参数五花八门；芳烃工艺流程泵的主要功能是在抽提工艺段将芳烃和非芳烃分离，在精馏工艺段将混合芳烃送入白土塔脱掉微量烯烃不安定物并精馏生成各种芳烃产品。工作介质从入口段进入叶轮入口，做功升压后从蜗壳泵壳体流出；过流端和驱动端一体化两支点耦合设计，不锈钢材质过流壳体、电机壳体和电机顶盖构成核主泵一回路承压边界，叶轮采用成熟高效二元或三元水力模型相似换算设计并选用钢质材料，轴选用成熟便宜马氏体不锈钢材质。驱动电机主力轴承副选用非接触锥面双向推力永磁轴承，辅助轴承可省却；电机转子采用稀土永磁转子，电机定子绕组在传统聚氨酯绝缘涂层基础上叠加采用聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜或聚合物陶瓷增强涂膜。绝热屏采用奥氏体不锈钢材质并涂覆聚合物硅酸盐发泡绝热厚涂层，并采用强制外部冷却水循环冷却阻断主要热量流入电机腔体，为定子绕组局部营造不超过65℃低温安全运行环境，防止定子绕组高温绝缘失效和防止永磁转子高温退磁失效。电机壳体或定子绕组内部亦设置强制冷却孔道带走电机运行发热热量。芳烃工艺流程泵应用实施例具备超静音、零泄漏、防爆炸、省空间、高效率、低维护的技术特点。

光热发电领域蒸发器电动给水泵的工作介质为高温高压除盐水，蒸发器电动给水泵的主要功能是将来自除氧器的冷凝水通过强制循环加压送回蒸发器加热变成过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机组发电，换热冷凝后的冷凝水而复始循环回到除氧器。工作介质从入口段进入叶轮入口，做功升压后从蜗壳壳体流出；过流端和驱动端一体化两支点耦合设计，马氏体不锈钢材质过流壳体、电机壳体和电机顶盖构成主氦风机一回路承压边界，叶轮采用成熟高效准三元水力模型相似换算设计并选用钛合金轻质材料或碳纤维轻质材料，轴选用沉淀硬化不锈钢材质。电机部件同芳烃工艺流程泵。光热发电领域蒸发器电动给水泵应用实施例具备超静音、零泄漏、耐高温、省空间、高效率、低维护的技术特点。

以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。按照本发明的技术原理，普通技术人员对非能动安全系统设计方案可有多种变形设计。本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1所示，入口段(1)、扩散段(2)、固定导叶(3)、过流壳体(4)、锁紧螺母(5)、叶轮(6)、绝热屏(7)、压盘(8)、密封环(9)、紧固螺柱螺母(10)组成核主泵/风机压缩机的过流部件，简称过流端；轴(11)、传动键(12)、下辅轴承(13)、下主轴承(14)、电机壳体(15)、电机定子(16)、电机转子(17)、上主轴承(18)、上辅轴承(19)、电气贯穿件(20)、接线盒(21)、电机顶盖(22)、电机紧固螺柱螺母(23)组成核主泵/风机压缩机的驱动部件，简称驱动端；锁紧螺母(5)、叶轮(6)、轴(11)、传动键(12)、下辅轴承(13)轴承副动环部分、下主轴承(14)轴承副动环部分、电机转子(17)、上主轴承(18)轴承副动环部分、下辅轴承(19)轴承副动环部分、惰飞轮(24)组成核主泵/风机压缩机的轴系部件。驱动电机绕组和轴系部件内置于一个整体式过流壳体(4)、电机壳体(15)、电机顶盖(22)承压边界中，压力边界全部由马氏体整体锻件制成的零件组成；零部件避免焊接、焊后热处理及在役检查；高强度、高热导率、相似的热膨胀率、无焊接应力、无缺陷风险、免在役检查的承压部件结构均匀，质量进度可控，工作寿命已得到压水堆核电业绩证明和保障；超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化耦合设计方案具有超静音、零泄漏、耐辐照、省空间、高效率、低维护的技术特点，适合应用于核电核军工领域，特别是核动力航母或核动力潜艇用超静音核主泵。

该设计方案的主要设计特征之一是驱动端(一般为驱动电机、水轮机、汽轮机、燃气轮机、柴油机等)和过流端(一般为泵、风机、压缩机等)一体化两支点耦合集成设计的转子动力学总体方案布置，定子绕组、转子绕组、轴承和叶轮浸没在工作介质之中，过流机壳、电机壳体、电机顶盖和电气贯穿件作为承压边界，这是转动设备超静音设计的关键基础技术，类似于刺绣的底布或国画的宣纸，为创新叠加更多的新颖尖端的超静音技术措施奠定了坚实的框架基础。一体化两支点耦合集成设计总体布置方案的主要工作原理是：跳出传统转动设备分体式总体结构布局设计的框框束缚，将设备轴系部分简化到最少的两个支承点，最大幅度地减少了轴承的配置，挑战了总体结构设计的极限；这一创新设计方案大幅度减少支承数量本质上意味着噪声源数量的减少，缩短了轴系，降低了重心(如设备为立式安装使用)，并为其它配套创新设计应用奠定了坚实的结构基础；耦合设计思想打破了制约“减振降噪”裹足不前的技术“天花板”，为跨越式突破传统“四轴承”总体布置方案振动噪声临界值，实现超静音设计目标(在传统转动设备振动噪声基础上降低一至两个数量级水平)提供了可行可靠的潜在技术路径。

该设计方案的主要设计特征之二是在驱动端和过流端一体化两轴承耦合设计的总体结构基础上，主力轴承选用配置高压高速大功率长寿命(连续运转寿命四十年)非接触式锥面双向推力永磁轴承副或锥面双向推力电磁轴承副，辅助轴承选用配置中高速大扭矩长寿命(连续运转寿命六十年)介质润滑或无油润滑炭纤维浸银材质双向推力轴承副和径向轴承副；非接触主力轴承副的运转工作间隙小于辅助轴承副的运转工作间隙，主力轴承副在正常工作状态下的时候辅助轴承副保持非工作待机状态。这一设计措施的工作原理和创新之处在于：非接触式永磁轴承或电磁轴承副的应用可以最大限度地降低转子和轴承的噪声，从而最大程度地实现轴系的超静音；鉴于设备在启动或停车的时候，电磁磁场在低速情况无法同步建立，需要设置辅助轴承来保障轴系的稳定性和可靠性；或者在主力轴承副工作失效的情况下，辅助轴承副作为备用纵深防御技术措施可以迅速投入使用。配置非接触主力轴承副+接触式辅助轴承副的核主泵/风机压缩机设备结构简单紧凑，可靠实用。

该设计方案的主要设计特征之三是电机转子(17)采用稀土汝铁硼或钐钴永磁表贴转子体，电机定子(16)在聚氨酯绝缘涂层基础上叠加浸涂聚合物硅酸盐基防腐绝缘涂膜，或者浸涂聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜，或者挤出热套辐照交联聚乙烯增强绝缘防护膜。定子绕组在传统聚氨酯绝缘涂层基础上叠加采用聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜、聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜或辐照交联聚乙烯铜线铜缆增强绝缘防护膜是超静音核主泵/风机压缩机设备的一个工艺技术创新点。这一增强绝缘工艺的工作原理在于：驱动端和过流端一体化两支点耦合设计总体布置方案的优点是减少了设备轴系支承点，且便于非接触式永磁轴承或电磁轴承的配置应用；但一体化耦合设计带来的缺点是电磁轴承绕组和驱动电机绕组浸泡于高温工作介质当中(如核主泵、控制棒水力驱动泵浸泡于一回路高温除盐水、氦主风机浸泡于一回路工况高温氦气工作介质)，需特别考虑高温介质及辐照环境下的绕组六十年持久绝缘老化问题。聚合物硅酸盐基防腐绝缘增强涂膜、聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜或辐照交联聚乙烯铜线铜缆增强绝缘防护膜在强辐照长时间(六十年)工作条件下，绕组绝缘电气性能不仅不随着时间老化下降，还会表现出绝缘电气性能随着时间缓慢提升的特点，彻底圆满地解决了湿绕组电机定子绕组或电磁轴承绕组辐照老化和热老化的软肋和瓶颈。

该设计方案的主要设计特征之四是抽芯式高效轻质过流部件水力设计和结构设计。借鉴国际优秀的叶轮三元或准三元离心式或混流式水力设计模型，依据正常运行工况点为最优效率点进行等比转速模型相似换算得到核主泵叶轮水力设计剪裁图；采用计算流体动力学法设计的整体式双蜗壳流道泵体装有离心式导叶，辅之以匹配的上下口环及平衡孔设计，泵的水力效率和风机压缩机气动效率较高，且装置汽蚀余量满足设计要求；轴向力和径向力可以达到最大限度的水力自适应平衡(导叶用于平衡径向力，口环和平衡孔用于平衡轴向力)，这是轴系转子动力学特性优良，运行平稳可靠的关键所在。抽芯式高效轻质过流部件水力设计和结构设计的创新之处在于：叶轮(6)、惰飞轮(24)等集中载荷不大的轴系通常配带应用普通马氏体不锈钢叶轮、奥氏体不锈钢叶轮或沉淀硬化不锈钢，集中载荷较大的轴系除了配带应用普通马氏体不锈钢叶轮或沉淀硬化不锈钢之外，为了提高轴系的一阶临界转速，亦可根据材料的极限飞逸线速度计算值选用配带各类轻质量叶轮，如钛合金叶轮、铝合金叶轮或碳素纤维编织叶轮。基于50HZ电网频率设计开发的水力模型一般适用于国内项目，相同水力性能参数但用于60HZ电网频率的水力模型几何尺寸一般略小一些，应尽量考虑两种水力模型共享一套驱动电机和绝热屏设计方案以提高零部件通用性，方便核电项目走出国门。抽芯式结构可以将电机和叶轮部分从上方或侧方抽出，有利于战略备件快速维修。

该设计方案的主要设计特征之五是独特的绝热屏结构设计和循环冷却回路设计。为了确保电机定子绕组和工作介质润滑的辅助轴承副工作温度维持在一个适当的区间，过流端和驱动端之间按照“炉钩原理”通常配备绝热屏部件来阻断高温过流部件一侧的热量传递至电机腔，为定子绕组营造局部低温安全运行环境，防止定子绕组高温绝缘失效和防止永磁转子高温退磁失效。绝热屏通常在金属热屏腔体结构设计中间采用极低热导率的非能动材料如聚合物硅酸盐基发泡绝热材料厚涂层或含锆硅酸铝厚毡填充层作为绝热层来实现，或者采用配置外部冷却水的能动型冷却设计来实现；或者兼而有之。热屏冷却系统可直接利用过流端内部高压冷却回路以及核电站设备冷却水系统提供的公共低压冷却回路，亦可在轴系部件上设置辅助叶轮或泵送环，通过辅助叶轮或泵送环做功后使冷却剂强制流过转子与定子之间的间隙和定子绕组，最后通过叶轮上的平衡孔回流到叶轮的吸入侧。定子绕组可以达到最佳冷却效果，避免内部热点，对湿绕组电机使用寿命的延长及效率的提高大有好处。

一体化超静音零泄漏核主泵/风机压缩机设计方案五个方面的创新设计特征大体勾勒出了超静音转动设备的总体技术轮廓。除了超静音、零泄漏、耐辐照技术特点外，该设计方案还能避免引发LOCA失水事故和放射性逸出，免轴封维护；具备技术先进、运转可靠、效率较高、结构简单、易于操作保养的特点，有助于提升一体化多用途核反应堆安全水平，改善军工核岛项目技术经济性；与同等功能参数的传统高噪声转动设备相比，超静音核主泵的外形尺寸在竖直高度方向节省了三分之一的安装空间；从动力端俯视方向的径剖平面来看，离心泵主体截面尺寸相当，但由于省却了供油润滑油站系统，密封冷却管路系统，仅剩余电机冷却一个辅助系统，径向截面安装空间至少节省三分之一以上。对航空母舰和潜艇等舰艇紧凑型系统设备布局而言，超静音核主泵/风机压缩机安装空间的有效集约意义重大。

2.如权利要求1所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1所示，其主要特征是对电机转子(17)进行变形设计。电机转子(17)可不采用稀土汝铁硼或钐钴永磁表贴转子体，而是回归传统传统铁芯绕组转子体并设电刷。这种工作情况下，铁芯绕组转子体的绕组和定子绕组一样，需在聚氨酯绝缘涂层基础上叠加浸涂聚合物硅酸盐基防腐绝缘涂膜，或者浸涂聚合物陶瓷基防腐绝缘涂层膜，或者挤出热套辐照交联聚乙烯增强绝缘防护膜。通过增强绝缘工艺措施改善提升绕组辐照老化性能。

3.如权利要求1所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1所示，其主要特征是对入口段(1)、扩散段(3)、固定导叶(3)、机壳壳体(4)进行变形设计。可取消入口段(1)、扩散段(3)、固定导叶(3)、机壳壳体(4)结构，用简单、可靠、成熟、常用的单蜗壳壳体或双蜗壳壳体取代其功能结构，并在结构设计接口上实现完全互换。

4.如权利要求1所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1所示，其主要特征是对轴(11)进行变形设计。下辅轴承(13)轴肩和上辅轴承(19)轴肩之间的轴段直径比较粗大，其材料机械性能远远满足轴系扭矩传递和轴向力承受的强度要求，仅仅是出于提高轴系刚度的必要。有鉴于此，可采取贫铀金属套和芯轴复合轴来代替原有轴，在尺寸完全互换且不牺牲轴系强度刚度的前提下，通过复合贫铀金属套大幅度提高轴的密度和质量，从而实现轴转动惯量的大幅度增加。复合轴具备惰转的功能特点，以以满足核主泵在核反应堆事故工况下的惰转技术要求。

5.如权利要求1、权利要求4所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图2所示，其主要特征是在上主轴承(18)和上辅轴承(19)之间的轴肩上设置贫铀金属惰飞轮或金属基体碳化物棒惰飞轮，以满足核主泵在核反应堆事故工况下的惰转技术要求。或者在下主轴承(14)和上辅轴承之间(13)的轴肩上设置贫铀金属惰飞轮或金属基体碳化物棒惰飞轮，以满足核主泵在核反应堆事故工况下的惰转技术要求。或者在上主轴承(18)和上辅轴承(19)之间的轴肩上、在下主轴承(14)和上辅轴承之间(13)的轴肩上同时设置贫铀金属惰飞轮(24)或金属基体碳化物棒惰飞轮(24)，以满足核主泵在核反应堆事故工况下的惰转技术要求。

6.如权利要求1所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图1所示，其主要特征是对下辅轴承(13)、下主轴承(14)、上主轴承(18)、上辅轴承(19)进行变形设计。低功率(160KW以下)、高转速(6000rpm以上)风机压缩机使用条件下，下主轴承(14)和上主轴承(18)可选用具有气浮功能的非接触轴承部分复合永磁轴承来代替全永磁轴承；下辅轴承(13)和上辅轴承(19)选用其他具有干摩擦功能的无油润滑轴承取代石墨浸银无油润滑轴承。

7.如权利要求1所述的一种超静音零泄漏核主泵/风机压缩机一体化设计方案，如图3所示，其特征是对下辅轴承(13)、上辅轴承(19)进行简化设计。超静音零泄漏核主泵/风机压缩机在下主轴承(14)和上主轴承(18)配备非接触永磁轴承的前提下，且设备在轻载荷、低转速使用条件下，可取消下辅轴承(13)和上辅轴承(19)的设置以简化轴系。超静音零泄漏核主泵/风机压缩机在下主轴承(14)和上主轴承(18)配备非接触电磁轴承的前提下，绝对不能取消辅助轴承，因为电磁轴承失电导会致轴承失去悬浮功能，没有辅助轴承约束的轴系处于失控状态，失去约束且高速旋转的轴系部件最终和静止部件造成相互碰撞、咬合和烧毁，若工作介质易燃易爆，可能会造成爆炸。

Images