第一章绪论
1.1研究背景
随着社会的发展、科技的进步以及生产规模的不断扩大，我国对能源的需求越来越大。目前我国主要能源为石化能源，而石化能源短缺以及利用过程中造成的环境污染问题却严重制约着社会经济的发展。因此大力幵发核电、风电、太阳能等其它替代能源成为发展趋势。在这些能源当中，核电因具有污染低、经济效益好以及可利用原料充足等优点，被认为是21世纪重点发展的能源产业。上世纪五十年代，国际上便开始了对核电的研究和开发利用，如美国和苏联等发达国家在上世纪50年代分别建立了被称为第一代的核电机组，随后在此基础上成功的建立了功率达到30万千瓦以上的核电机组。现今，国际上第四代核电生产系统的研究正在进行当中如图1.1所示的超临界冷水堆（SCWR)便为第四代核电生产系统。我国也在积极进行核能的建设与幵发，于2007年11月2 F1正式发布了《核电中长期发展规划(2005~2020)》，并取得了一定的成绩。例如广东大亚湾、岭澳、秦山、田湾等大型核电站，最大功率能达到65力千瓦现全国核电装置共13台，总装机谷量为1000万千瓦以上。然而与国际上先进国家相比，我国核电的发展步伐依然很缓慢，全国核电发电量仅占总发电量的约2%左右，与14%的世界平均水平相比差距很大。
对核电站而由，安全是其关注的第一要素。核电站一旦发生事故，可能产生核福射污染，将会对人类和社会发展造成重大危害核主栗作为核电站的关键设洛，担负着驱动冷却剂介质在核反应堆一回路中循环的重要作用，被喻为核电站的心脏。核泵一出现故障，就不能将核反应堆产生的热量及时输送出去，轻则导致停堆，重则可能使整个反应堆及其相连的部件由于温度过高而发生破坏，从而导致重大事故发生。如2011年3月本福岛核电站的核泄漏事故，对整个社会发展和人类生存环境造成了极大的破坏，其原因就是由于地震与海陳引起核主菜损坏，无法将反应堆热量及吋排除而发挤堆和爆炸。因此，保证核主泵的稳定安全运行对于整个核电站的安全稳定运行总义屯大。核反应堆主粟为立式单级粟，主要组成足油IE系统、核级轴承、叶轮、联输器、密封、机壳等部件。推力轴承主要足川于支找核系统爪力和的子等部件自重所产生的轴向力，以保证核主栗能够稳定的旋转运行。核菜机械密封在核主粟中的作用主要是实现核泵密封介质的低泄漏，降低介质对环境的污染。同时保证密封部件的两端端面处于非接触状态，减小摩擦磨损，延长密封部件使用寿命。因此，核粟推力轴承与核泉机械密封是核主粟上的两大关键部件。核栗推力轴承与核栗端面轴承性能的研究对于确保整个核电站的安全、稳定、经济与高效运行至关重要。
1.2水润滑推力轴承简介
推力轴承的工作原理是通过收敛楔体的相对运动，使得收敛楔内液体受到挤压，从而起到承受载荷的目的由于工作条件的限制，核栗用推力轴承选用液态水作为润滑剂。相对于油來讲，水润滑的主要优点在于：污染小、取材方便，安全隐患低，简化了润滑系统的整体结构，同时节省了石化及其他能源消耗。然而水的粘度很低，导致了轴承承载能力.低下，并且容易引起水膜破裂等事故，尤其当设计不合理时更是如此，此夕卜，低粘度还往往使核栗水润滑轴承处于复杂的紊流润滑状态，导致计算上存在一定的困难。围绕着水润滑的安全性能问题，国内外先后对此做了许多工作，为的是能够保证正常的工作环境和液体的充分润滑，减少摩擦和表面磨损，降低成本提高效率。Elwe和Nicholas两人，分析了轴承参数对轴承静特性、轴承动特性的影响。林坤等人根据推力轴承运行时的物理方程，建立了水膜厚度仿真模型，将水膜与轴承材料以及轴承的支撑部件整合为一个系统进行稱合计算。
1.2.1水润滑推力轴承发展现状
关于水润滑推力轴承的设计理论和使用实践的报道早在上世纪的五十年代便出现了。现今，国内针对水润滑基本理论已进行了大量的研究工作。在摩擦学研究方面，赵红梅等人考虑了润滑过程中所产生的摩擦热润滑剂温度沿厚度方向的变化，以及上、下表面的热传递，对润滑膜进行了三维分析研究，实现了润滑剂温度分布的三维求解过程，计算结果有很高的精度。上海交通大学的郭红与郑州大学机械工程学院的李瑞珍利用有限元法和复合形法对推力轴承进行静态、动态性能计算。山西石油大学的徐建宁等人建立了推力轴承稳态温度场和三维有限元模型，并根据所建立的模型分析了处于热平衡状态时，轴承的温升和热变形问题。另外一些学者对于推力轴承的金属材料和汕润滑等问题也进行了大量的研究之后随着科学技术的进步和人类创新能力的不断提高，有关水润滑推力轴承各方面的研究均取得了骄人的成效，人们最终肯定该类轴承的优越性以及其广阔的应用前景山于水的粘度较低，润滑状态很容易达到紊流，因此研究水润滑推力轴承在紊流状态下的运行性能是非常重要的。自从1956年以来，人们在紊流润滑方面做了大的研究，主要的背景为大型电站、大型供油泵水介质以及液化气装置中的低粘度介质轴承等。由于这些领域的旋转部件的速度很大、粘性系数小，Reynolds数变得很大，使得润滑薄膜层一直处于紊流状态，因此促使了瑞流润滑理论的发展，出现了基于不同假设而建立起来的紊流模型。
1.3 机械密封简介 .................13-15
第二章水润滑基本理论 .................17-23
2.1 润滑的产生 .................17
2.2 水润滑数学模型 .................17-21
2.3 润滑方程数值求解 .................21-23
第三章水润滑可倾瓦推力轴承的性能分析 .................23-32
3.1 引言 .................23
3.2 计算模型 .................23-26
3.3 几何参数的改变对推力轴承承载力的影响 .................26-31
3.4 本章小结 .................31-32
第四章 机械密封性能分析 .................32-52
4.1 物理模型 .................32-33
4.2 计算模型验证................. 33-34
4.3 计算实例分析 .................34-40
4.4 微孔型端面密封性能分析 .................40-50
4.5 本章小结 .................50-52
结论
本文主要针对水润滑可倾瓦推力轴承和核主泵水润滑密封环进行了一系列的计算工作。介绍了水润滑推力轴承的基本润滑理论，并推导出了密封环和水润滑可倾瓦推力轴承的润滑数学模型，并利用基于Matlab语言的有限差分法编写了计算程序，针对所要分析的问题进行计算。本文主要工作和成果如下。
1、本文基于大型可倾瓦推力轴承的结构，建立了可倾瓦推力轴承的膜厚方程，并进行了程序运算，最后得出结论：当在高转速，重载荷工况下工作时，流体的惯性力对整个轴承性能有较大影响，因此不应该忽略掉；可倾瓦推力轴承支撑点位置的改变对轴承性能的影响很大，应该对瓦块支撑点位置进行合理的设计。支撑点半径的最优值的选取并不是在瓦块的形心处，而是由一定旳径向偏心量；另外，支撑点的周向角度的最优值并非为瓦块对称处，应当有一定的周向偏心量。
2、本文结合端面周向波度密封和多种微孔型动压密封模型，建立了核主泵密封环的膜厚方程，并根据核主泵密封环本身的特点对其密封性能进行计算分析。得出结论：密封环宽度的改变对整个密封性能的影响很大。在宽度很小的情况下密封环的动压效应基本上为零。随着宽度的增大动压效应越来越显著，并且平衡膜厚也会增大，减小了相对运动的两面之间直接接触面积，从而也降低了机械磨损，提高了核泵主轴的密封性能。
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