[科普中国]-压水堆一次冷却剂泵

定义

压水堆一次冷却剂泵是用于使反应堆冷却剂在一回路各环路中循环，将堆芯热量传输至蒸汽发生器二回路侧的设备，亦称主泵。每条环路设一台或两台主泵。

由于反应堆冷却剂有较强的放射性，所以主泵的主要特点为泄漏受到控制。还由于在主泵失去电源时，要求在尽可能长的时间维持一定流量以冷却堆芯，所以主泵的另一特点为带有厚重飞轮，以增加转子的转动惯量。

结构主泵通常为立式、单级、离心式水泵，由交流感应电动机驱动。按飞轮和推力轴承位置、联轴器型式以及导轴承数目等结构细节，大致可分为两类结构型式：

①三轴承泵。以美国西屋公司产品为代表。苏联ВВЭР1000 MW核电厂所用的ГЦН-195型有相似的结构。飞轮设置在电动机顶部。主推力轴承与上部导轴承合成一体，布置在电动机上部。电动机下部也有一导轴承。另一水润滑石墨导轴承位于泵壳内叶轮上方。泵轴与电动机轴用刚性联轴器连接，结构紧凑，泵总高约8m，轴线对中要求较严。

②五轴承泵。以德国KSB 公司产品为代表。推力轴承与电动机轴和传动轴用鼓形齿轮挠性联轴器连接。共有五个导轴承，电动机两端和推力轴承两侧各有一油润滑导轴承，另一个水润滑石墨导轴承位于泵壳内叶轮上方。泵总高为9～10 m。

主要部件主泵的主要部件包括轴密封、飞轮、推力轴承、叶轮和导叶轮、泵壳，转轴和电动机等。

轴密封是主泵最关键的部件，其设计和制造难度较大。目前常用型式为控制泄漏、非接触式机械密封。基本原理是在动环和静环两个端面之间引入密封介质，形成一层几微米厚的液膜，起润滑和冷却作用。按结构细节又分为静压密封和动压密封。前者通常为凹槽式，后者是在摩擦副的端面上开润滑槽，介质进入槽内后，再利用旋转产生的流体楔的动压作用，挤入端面之间， 形成液膜。

为了在动环和静环之间建立全液体摩擦， 接触端面要求粗糙度很低并严格控制形位公差， 并适当选择物理性能和力学性能好的材料。常用材料有石墨、碳化钨、碳化硅，氮化硅、氧化铝等。此外，运行时要控制轴密封注入水的水质，特别是水中所含杂质的粒径，通常在注入水管线上设置超细过滤器， 能滤去5μm以上的颗粒杂质。

一组轴密封通常为三级。典型组合为：以第一级为主密封，承受大部分或全部压力，泄漏量大;第二级为安全密封， 在第一级失效时可短时承受系统运行全压力;第三级亦为安全密封，工作压差低，泄漏量小，有时用接触密封。但德国KSB公司产品采用三级动压密封，在第一级和第二级用毛细管控制压力分配，第三级用节流孔板控制压降， 经控制后三级密封之间的压力分配为40%、40%、20%。

轴密封的结构设计要经试验验证。通常用全尺寸试验件 (例如动、静环有效直径254 mm)， 在试验台架上以正常工作压力、温度和注水条件作长时间试验运行，测定泄漏量、振动等数据，还要在改变注入水温度、压力等情况下进行试验。试验时间要超过轴密封的设计寿期。试验完毕后，将试验件解体，检查动环的接触面和变形情况。

正常运行时， 由化学和容积控制系统的上充泵提供温度约50℃、每台流量约2 m/h的轴密封注入水。它进入密封壳后分为近似相等的两股水流： 一股向下流入泵体，与冷却剂混合;另一股经第一级和第二级密封后分别引入体积控制箱和冷却剂疏排水箱。第三级密封另有单独的注入水，亦分为两股：一股与第二级密封引漏水混合; 另一股经第三级密封后引向疏排水箱或安全壳内。正常注入水发生故障时，泵内的冷却剂经过装在泵盖上的热屏冷却器或装在泵外的高压冷却器冷却后作为密封注入水， 这些冷却器由设备冷却水系统持续供水。

飞轮主泵断电时， 飞轮惯量使主泵转子惰走较长时间， 从而使整个转动部件的惯量能在一定时间内提供适当的流量， 通常要求在30 s内流量不小于50%。以1000 MW核电厂主泵为例，飞轮质量约5 t，转动惯量在1800 kg·m左右。飞轮材料为低合金钢，要求有较高强度和冲击韧性。KSB泵组的飞轮的衬套与轴接合面呈倒锥形，以过盈配合方式安装在轴上。泵超速时，飞轮从轴上自行落下，避免由超应力引起破裂而产生飞射物。

推力轴承正常运行时， 轴密封两侧压差产生的向上推力远大于叶轮两侧的向下推力， 故用双向推力轴承，其主推力面为推力盘的上表面。正常运行时向上推力为400～500 kN， 只有在系统压力低于工作压力40%左右时才承受向下推力。结构通常为米歇尔(Michell)型可倾式瓦块，瓦块数通常为质数。由相对运动产生的润滑剂楔入作用使瓦块微倾， 从而使轴承中的摩擦系数及耗功很低。在起动或停泵时，由顶油泵将油注入推力轴瓦， 以防发生干摩擦。

叶轮和导叶轮叶轮通常为单级、双向扭曲叶片、混流式。导叶轮通常为半分式，用螺钉固定在泵壳内，以减小泵壳法兰及开口尺寸。叶轮和导叶轮的叶片宜互为不可通约数。材料通常为低碳马氏体不锈钢铸件，含铬约13%，含镍约4%，并限制含钴量以减少活化产物。1

泵壳形状通常为准球形或蜗壳形。材料可以是奥氏体不锈钢或低合金钢内表面堆焊奥氏体不锈钢。结构可以是分片拼接或整体锻造。

转轴泵轴与电动机轴一般均为刚性轴，即第一临界转速超过额定转速的130%。泵轴材料用与叶轮相同成分的钢锻件，以免热膨胀系数不同而产生热应力。轴表面镀硬铬，可避免装拆转子部件时擦伤轴表面，并对水润滑石墨轴承有较好的耐磨性能。

西屋公司的三轴承泵在泵轴与电动机轴之间设中间短轴，以便维修轴密封时不必移动电动机。KSB公司的五轴承泵在电动机轴与传动轴之间的鼓形齿轮联轴器内有足够的间距，可以用液压油缸将整个推力轴承部件顶起，装拆更为方便。

电动机为常规交流感应电动机，但在安全保护方面有特殊要求，主要有①防逆转机构：当几条环路中有一条环路的主泵断电时，该环路内冷却剂会倒流使该主泵逆转。逆转会使主泵某些部件受损伤，并造成再起动困难。此时，离心力使机构的动部件与静部件保持一定间隙，互不接触。②卡转子保护器：主泵正常运行中由于机械故障将转子卡住而使电动机停转时，保护器在5s内切断电动机电源。③惯性惰转：全厂断电时，主泵电动机与主发电机电气连接，一起惯性惰转，电动机允许降频率运行至50%转速，使惰走流量保持更长时间。2

性能参数主泵的性能参数主要包括流量、扬程、汽蚀裕量、比转速等。

流量-扬程(Q-H)曲线主泵流量根据反应堆功率和冷却剂进出口温度计算，扬程根据反应堆本体和环路中各设备在额定流量下的流阻计算。大型主泵的典型参数为流量20000～25000 m/h，扬程90～105m。要求Q-H曲线平滑，整个运行范围内无“拐点”。还要求做出泵的全性能曲线，即四象限特性曲线，以便分析各种事故工况。设计时对环路设备阻力的估算往往偏保守，结果使泵的设计扬程过高。要求在一定范围内安全长期运行。

汽蚀裕量亦称“净正吸入压头(NPSH)”，用以判断水泵是否发生汽蚀。可通过计算有效汽蚀裕量(NPSHav)和必需汽蚀裕量(NPSHreq)，以分析进口液压是否具有超过汽化压力的足够裕量。大型主泵的必需汽蚀裕量一般为50～75m。

比转速ns500为轴流泵。主泵比转速通常为ns=340～465，属于混流泵。这种泵一般有较高的水力效率，有较陡的特性曲线，在冷却剂环路阻力低于计算值时流量变化较小。