一種陶瓷軸承及配置有陶瓷軸承的核電泵的製作方法
2023-09-20 00:15:30
一種陶瓷軸承及配置有陶瓷軸承的核電泵的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種陶瓷軸承及配置有陶瓷軸承的核電泵；所述陶瓷軸承中包含：作為轉動部件的金屬軸套和陶瓷軸套，所述陶瓷軸套環繞於金屬軸套的外側；作為固定部件的陶瓷外圈和金屬殼體，並且使所述金屬殼體設置於陶瓷外圈的外側，而該陶瓷外圈的內側與所述陶瓷軸套的外側相對應；其中，所述金屬軸套在其內側設置有若干個空心環狀結構；所述陶瓷軸套或陶瓷外圈中嵌入有碳素纖維。本發明的陶瓷軸套可以同時滿足耐幹磨、耐熱衝擊和耐雜質的技術要求，滿足核電泵運行及事故工況時的嚴苛要求。
【專利說明】-種陶瓷軸承及配置有陶瓷軸承的核電泵
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種軸承，特別涉及一種耐高溫、耐熱衝擊、耐雜質介質潤滑的陶瓷軸 承，適用於壓水堆核電站核安全2、3級泵領域。本發明還涉及一種配置有陶瓷軸承的核電 慄。
【背景技術】
[0002] 現有核2、3級泵用的介質潤滑導軸承，多採用工程熱塑料或金屬材料噴塗鎳基。 其中，工程熱塑料導軸承具有較高的耐高溫耐幹磨特性，並且具有較好的耐腐蝕、耐輻照特 性，但要求介質純淨無雜質。金屬噴塗鎳基層材料的導軸承具有良好的耐雜質特性、耐輻照 特性，但耐高溫和耐幹磨特性不理想，容易導致配用軸套的磨損、燒結。
[0003] 對於耐熱衝擊特性，主要考慮材料的熱膨脹係數、垂直許用應力和結構設計中的 配合尺寸，其中工程熱塑料的熱膨脹係數較小、結構設計中的配合尺寸容易控制，但許用應 力值較小。對於金屬噴塗鎳基材料許用應力高，但熱膨脹係數大，結構設計中的各工況的介 質潤滑和間隙設計很難平衡。
[0004] 核2、3級泵用介質潤滑導軸承若在實際運行過程中出現磨損後損壞，將導致設備 的振動、噪音、軸承溫度升高，不能滿足現行運行要求，並且很難通過更換軸承以外的其他 方式進行修復使用。核電廠各設備的設計壽命及更換周期有著嚴格的控制，無法在規定以 外的時間進行更換，因此導軸承的異常將直接影響核電站運行的效率和安全性。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於提供一種陶瓷軸承，解決原介質潤滑的導軸承設計中無法同時 滿足耐幹磨、耐熱衝擊和耐雜質的技術要求的問題。本發明的目的還在於提供一種配置有 陶瓷軸承的核電泵。
[0006] 為了達到上述目的，本發明的一個技術方案是提供一種陶瓷軸承，其中包含： 作為轉動部件的金屬軸套和陶瓷軸套，所述陶瓷軸套環繞於金屬軸套的外側； 作為固定部件的陶瓷外圈和金屬殼體，並且使所述金屬殼體設置於陶瓷外圈的外側， 而該陶瓷外圈的內側與所述陶瓷軸套的外側相對應； 其中，所述金屬軸套在其內側設置有若干個空心環狀結構，所述空心環狀結構是在金 屬軸套的內側開口並向金屬軸套的外側凹入的形狀。
[0007] 優選地，若干所述空心環狀結構相互間隔地布置在金屬軸套內側，且與所述陶瓷 軸套在金屬軸套軸向所處的位置相對應； 所述陶瓷外圈及金屬殼體的設置位置，與所述陶瓷軸套在金屬軸套軸向所處的位置相 對應。
[0008] 優選地，所述金屬軸套在空心環狀結構處的最小壁厚為2. 5_。
[0009] 優選地，所述陶瓷軸套或陶瓷外圈的基體材料為碳化矽，並且在所述陶瓷軸套或 陶瓷外圈中嵌入有碳素纖維。
[0010] 優選地，所述碳素纖維沿陶瓷軸套或陶瓷外圈的軸向或圓周方向分別嵌入，或者， 所述碳素纖維沿陶瓷軸套或陶瓷外圈的軸向和圓周方向同時嵌入形成網格。
[0011] 優選地，所述碳素纖維的網格的邊長為1.7_-3_。
[0012] 優選地，所述金屬軸套和金屬殼體由奧氏體不鏽鋼製成。
[0013] 優選地，所述金屬軸套和陶瓷軸套通過過盈配合裝配； 所述陶瓷外圈和金屬殼體通過過盈配合裝配。
[0014] 本發明的另一個技術方案是提供一種核電泵，其中，帶有進口管和出口管的進出 水殼體連接於筒體上方；第一機械密封件的下部穿過進出水殼體後布置於筒體內，用以安 裝葉輪/導葉；在泵軸的上軸段穿過進出水殼體、葉輪/導葉後與第一機械密封件下部接觸 的位置，設置有所述的陶瓷軸承； 所述筒體內的直管連接在第一機械密封件的下方，第二機械密封件連接在該直管下 方；所述泵軸的下段穿過第二機械密封件中設置的雙吸葉輪；該泵軸的下段在穿入雙吸葉 輪之前和穿過雙吸葉輪之後與該第二機械密封件接觸的位置，也分別設置有所述的陶瓷軸 承。
[0015] 與現有技術相比，本發明提供的陶瓷軸承，其優點在於：陶瓷軸套和陶瓷外圈以陶 瓷材料製成，可耐極高溫度，因此在短時幹磨狀態啟動也不會產生任何燒結現象；金屬軸套 的特殊空心環狀結構設計，和陶瓷軸套和陶瓷外圈上碳素纖維網格的嵌入結構，和陶瓷軸 承部件的整體結構設計充分考慮熱衝擊工況，陶瓷軸承硬度極高具有良好的耐雜質工況， 該陶瓷軸承可以經受熱衝擊試驗及雜質試驗，滿足核電站各種事故工況的苛刻要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明所述陶瓷軸承的總體結構俯視示意圖； 圖2是本發明所述陶瓷軸承的結構剖視示意圖； 圖3是本發明中金屬軸套和陶瓷軸套裝配結構的示意圖； 圖4是本發明中金屬軸套的結構剖視示意圖； 圖5是本發明所述陶瓷軸承的熱衝擊試驗溫升曲線； 圖6是本發明所述陶瓷軸承的熱衝擊試驗振動指標記錄圖； 圖7是安裝有本發明所述陶瓷軸承的核電泵的結構示意圖； 圖8是傳統的金屬軸套的結構剖視示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 如圖1、圖2所示，本發明提供的陶瓷軸承，涉及四個主要零件，其中轉動部件為金 屬軸套10和陶瓷軸套20,兩者通過過盈配合安裝；固定部件為陶瓷外圈30和金屬殼體40， 兩者同樣通過過盈配合裝配。
[0018] 如圖3所示，所述陶瓷軸套20環繞於金屬軸套10的外側，並大致處在金屬軸套 10軸向的中間位置，即所述金屬軸套10的頂部和底部分別延伸超過該陶瓷軸套20的頂部 和底部。所述陶瓷外圈30及金屬殼體40的位置，與所述陶瓷軸套20所在的軸向位置相對 應；使所述金屬殼體40設置於陶瓷外圈30的外側，該陶瓷外圈30的內側與所述陶瓷軸套 20的外側相對應。
[0019] 不同於傳統金屬軸套10'的圓筒式結構（圖8)，本發明在圖4中所示的金屬軸套10 在其內側設置有若干個空心環狀結構11，即形成一種在金屬軸套10的內側開口並向其外 側凹入的形狀。所述若干空心環狀結構11在設計中主要考慮在金屬軸套10上軸向定位， 使若干空心環狀結構11相互間隔地布置在與陶瓷軸套20所在相對應的軸向位置(兩者分 別位於金屬軸套10的內外兩側)。優選地，金屬軸套10在空心環狀結構11處的最小壁厚 b為2. 5mm。在熱衝擊工況時，常規軸套的壁厚大於本發明的金屬軸套10的壁厚，當介質溫 度在IOS內由7°C升高到120°C時，薄壁軸套沿壁厚方向的溫度梯度小，產生的應力小，同時 金屬軸套10的變形量小，從而在熱衝擊工況時可以有效地保證動靜零件之間的間隙。
[0020] 本發明中所述金屬軸套10和金屬殼體40為奧氏體不鏽鋼。所述陶瓷軸套20和 陶瓷外圈30的材料為陶瓷和碳素纖維21，其具有耐高溫的特性。所述陶瓷軸套20的基體 材料為碳化矽SiC，為避免陶瓷脆性的缺點，在陶瓷軸套20中增加有碳素纖維21以提高抗 震特性。
[0021] 所述碳素纖維21可沿陶瓷軸套20的軸向嵌入，也可沿圓周方向嵌入，但以上兩種 形式均只能改善單方向的韌性，因此本發明中更優選的是將碳素纖維21採用網格形式，分 別在軸向及圓周方向均嵌入陶瓷軸套20。具體根據金屬軸套10的內徑尺寸確定網格密度， 本例中的陶瓷軸套20的網格邊長a為I. 7mm-3mm。可以類似地在陶瓷外圈30處也嵌入設 置網格狀的碳素纖維。所述陶瓷軸承可以同時滿足核電站各種事故工況的苛刻要求，如耐 高溫、無潤滑幹磨啟動、介質溫度由TC在IOS內迅速上升至120°C的熱衝擊、地坑吸水的含 雜質運行等。
【權利要求】
1. 一種陶瓷軸承，其特徵在於，包含： 作為轉動部件的金屬軸套（10)和陶瓷軸套（20)，所述陶瓷軸套（20)環繞於金屬軸套 (10)的外側； 作為固定部件的陶瓷外圈（30)和金屬殼體（40)，並且使所述金屬殼體（40)設置於陶 瓷外圈（30)的外側，而該陶瓷外圈（30)的內側與所述陶瓷軸套（20)的外側相對應； 其中，所述金屬軸套（10)在其內側設置有若干個空心環狀結構（11 )，所述空心環狀結 構（11)是在金屬軸套（10)的內側開口並向金屬軸套（10)的外側凹入的形狀。
2. 如權利要求1所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 若干所述空心環狀結構（11)相互間隔地布置在金屬軸套（10)內側，且與所述陶瓷軸 套（20)在金屬軸套（10)軸向所處的位置相對應； 所述陶瓷外圈（30)及金屬殼體（40)的設置位置，與所述陶瓷軸套（20)在金屬軸套 (10)軸向所處的位置相對應。
3. 如權利要求1所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述金屬軸套（10)在空心環狀結構（11)處的最小壁厚為2. 5_。
4. 如權利要求1所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述陶瓷軸套（20)或陶瓷外圈（30)的基體材料為碳化矽，並且在所述陶瓷軸套（20) 或陶瓷外圈（30)中嵌入有碳素纖維（21)。
5. 如權利要求4所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述碳素纖維（21)沿陶瓷軸套（20)或陶瓷外圈（30)的軸向或圓周方向分別嵌入，或 者，所述碳素纖維（21)沿陶瓷軸套（20)或陶瓷外圈（30)的軸向和圓周方向同時嵌入形成 網格。
6. 如權利要求5所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述碳素纖維（21)的網格的邊長為1. 7mm-3mm。
7. 如權利要求1所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述金屬軸套（10)和金屬殼體（40)由奧氏體不鏽鋼製成。
8. 如權利要求1所述的陶瓷軸承，其特徵在於， 所述金屬軸套（10)和陶瓷軸套（20)通過過盈配合裝配； 所述陶瓷外圈（30)和金屬殼體（40)通過過盈配合裝配。
9. 一種核電泵，其特徵在於， 所述核電泵中，帶有進口管（54 )和出口管（55 )的進出水殼體（53 )連接於筒體（50 )上 方；第一機械密封件（52)的下部穿過進出水殼體（53)後布置於筒體（50)內，用以安裝葉 輪/導葉（56);在泵軸（60)的上軸段（61)穿過進出水殼體（53)、葉輪/導葉（56)後與第 一機械密封件（52)下部接觸的位置，設置有如權利要求1所述的陶瓷軸承； 所述筒體（50)內的直管（57)連接在第一機械密封件（52)的下方，第二機械密封件 (58 )連接在該直管（57 )下方；所述泵軸（60 )的下段穿過第二機械密封件（58 )中設置的雙 吸葉輪（59);該泵軸（60)的下段在穿入雙吸葉輪（59)之前和穿過雙吸葉輪（59)之後與該 第二機械密封件（58)接觸的位置，也分別設置有如權利要求1所述的陶瓷軸承（72、73)。
【文檔編號】F04D29/046GK104373371SQ201410568971
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】王曉坤, 於麗紅, 戴子龍, 程劍 申請人:上海電氣凱士比核電泵閥有限公司