曲大庄; 李梦启; 武中德; 李藏雪; 吴军令; 王伟光; 张培良; 李伟; 张宇峥; 张金慧; 周全
150066黑龙江省哈尔滨市平房区哈南三路6号哈尔滨电气动力装备有限公司技术管理部
本发明涉及抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，由限位结构、支撑结构、自平衡结构、随动结构、流道结构五结构构成。本发明增加了自平衡功能，其中平衡环有两大特点，一是均载，即各推力瓦载荷存在比较大差值时，可自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在±10％以内，提高了水润滑推力轴承的运行稳定性；二是结构连续性，即平衡环为上下平衡体整体连续，提高了水润滑推力轴承的可靠性。本发明在推力盘发生轴向移动时，确保推力瓦和推力盘从始至终保持接触，避免传统水润滑轴承推力盘与推力瓦接触时的动载荷，降低了对瓦面材料的冲击。本发明适用于三代核电大功率核主泵屏蔽电机水润滑推力轴承，可大范围的使用在核电、国防、化工、舰船动力等领域。
1.抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，其特征是：由限位结构、支撑结构、自平衡结构、随动结构、流道结构五结构构成，轴承座(1)为主支撑平台，弹簧(15)位于轴承座(1)底部，弹簧板(13)安装在弹簧(15)顶部；第一限位销(16)穿过弹簧板(13)安装在轴承座(1)内侧，第二限位销(14)穿过弹簧板(13)安装在轴承座(1)外侧；平衡环(12)安装在弹簧板(13)顶部，第一限位销(16)穿过平衡环(12)内侧，第二限位销(14)穿过平衡环(12)外侧；支撑柱(11)位于平衡环(12)顶部，支撑柱(11)底部有球面(40)；推力瓦基(5)安装在支撑柱(11)顶部，推力瓦面(6)位于推力瓦基(5)顶部；第三定位销(17)位于轴承座(1)外侧，第四定位销(7)位于轴承座(1)内侧，推力瓦基(5)分别位于第三定位销(17)和第四定位销(7)顶部；外压圈(2)安装在轴承座(1)外侧，第一螺栓(3)经第一落地牢垫圈(4)锁紧在轴承座(1)上；内压圈(8)安装在轴承座(1)内侧，第二螺栓(9)经第二落地牢垫圈(10)锁紧在轴承座(1)上。
2.根据权利要求1所述的抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，其特征是：上平衡体(41)和下平衡体(42)依次连接构成平衡环(12)，下平衡体(42)内侧设有第一定位孔(37)，下平衡体(42)外侧设有第二定 位孔(36)，上平衡体(41)与下平衡体(42)之间设有Z型连接立筋(35)；上平衡体(41)顶部设有矩形平台(34)，上平衡体(41)底部设有第一梯形平台(33)，上平衡体(41)侧面设有第一斜面(39)；下平衡体(42)底部设有柱面(31)，下平衡体(42)顶部设有第二梯形平台(32)，下平衡体(42)侧面设有第二斜面(38)；Z型连接立筋(35)上侧设有第一过渡圆弧(30)，Z型连接立筋(35)下侧设有第二过渡圆弧(29)。
3.根据权利要求1所述的抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，其特征是：弹簧板(13)与轴承座(1)内侧之间设有第一间隙(18)，弹簧板(13)与轴承座(1)外侧之间设有第二间隙(19)；内压圈(8)与推力瓦基(5)之间设有第三间隙(27)，外压圈(2)与推力瓦基(5)之间设有第四间隙(28)；内压圈(8)外侧设有第一倒角(24)，外压圈(2)内侧设有第二倒角(23)；两个相邻推力瓦基(5)内侧设有第五间隙(21)，两个相邻推力瓦基(5)外侧设有第六间隙(20)；两个相邻推力瓦基(5)中间设有第一存水槽(22)，推力瓦基(5)内侧设有第二存水槽(26)，推力瓦基(5)外侧设有第三存水槽(25)。
随着三代核电技术的发展，反应堆冷却剂泵(简称核主泵)由轴封泵升级为屏蔽式电动泵，屏蔽式电动泵即泵与屏蔽电机融为一体，轴承采用水润滑工作方式。推力轴承是核主泵最重要的部件之一，它的设计是不是合理将直接影响到核主泵的可靠运行。水润滑动压滑动轴承的承载能力和磨损寿命是制约这种轴承应用的主要的因素。传统水润滑推力轴承没有自平衡系统，各个推力瓦平面难以保持在同一平面内，运行时载荷分布不均，使各推力瓦的水膜厚度、温度、磨损量等运行参数不一致，整体轴承发挥不出最佳性能，长时间运行时振动增加，轴瓦容易损坏，可靠性降低。这就需要开发一种轴瓦底部带自平衡结构的水润滑推力轴承。
本发明提供一种抗抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在±10％以内，使各瓦负 荷均匀，减小瓦面磨损，降低瓦面温差，保持推力瓦与推力盘平稳接触，减小推力盘对推力瓦的瓦面冲击，避免因冲击带来的瓦面损坏。本发明的技术方案：一种抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，由限位结构、支撑结构、自平衡结构、随动结构、流道结构五结构构成，轴承座(1)为主要支撑平台，弹簧(15)位于轴承座(1)底部，弹簧板(13)安装在弹簧(15)顶部；第一限位销(16)穿过弹簧板(13)安装在轴承座(1)内侧，第二限位销(14)穿过弹簧板(13)安装在轴承座(1)外侧；平衡环(12)安装在弹簧板(13)顶部，第一限位销(16)穿过平衡环(12)内侧，第二限位销(14)穿过平衡环(12)外侧；支撑柱(11)位于平衡环(12)顶部，支撑柱(11)底部有球面(40)；推力瓦基(5)安装在支撑柱(11)顶部，推力瓦面(6)位于推力瓦基(5)顶部；第三定位销(17)位于轴承座(1)外侧，第四定位销(7)位于轴承座(1)内侧，推力瓦基(5)分别位于第三定位销(17)和第四定位销(7)顶部；外压圈(2)安装在轴承座(1)外侧，第一螺栓(3)经第一落地牢垫圈(4)锁紧在轴承座(1)上；内压圈(8)安装在轴承座(1)内侧，第二螺栓(9)经第二落地牢垫圈(10)锁紧在轴承座(1)上。
本发明的限位结构提供推力瓦的限位功能；支撑结构提供水润滑轴承的支撑功能；自平衡结构负责平衡润滑轴承各推力瓦之间的不平衡载荷，以确保各推力瓦所承受的载荷差保持最小；随动结构负责水润滑轴承的自动随动，当推力面发生轴向窜动时,推力瓦及时随动推 力盘；流道结构负责水润滑轴承流通功能，以便存储润滑水和形成流道。
限位结构负责推力瓦的限位功能，第四定位销(7)位于轴承座(1)内测，第三定位销(17)位于轴承座(1)外侧，第四定位销(7)和第三定位销(17)均对推力瓦基(5)形成轴向限位，当推力瓦基(5)在上下移动时，可以保障推力瓦基(5)在轴向较小幅度窜量，同时第四定位销(7)和第三定位销(17)还实现了对推力瓦基(5)周向限位。内压圈(8)安装在轴承座(1)内侧，外压圈(2)安装在轴承座(1)外侧，内压圈(8)和外压圈(2)同时完成对推力瓦基(5)的轴向限位，内压圈(8)与推力瓦基(5)之间设有第三间隙(27)，外压圈(2)与推力瓦基(5)之间设有第四间隙(28)，使得推力瓦基(5)在轴向不超出原有设计允许窜量。弹簧(15)对弹簧板(13)和具有轴向限位作用，弹簧板(13)对平衡环(12)也具有轴向限位作用。
支撑结构负责水润滑轴承的支撑功能。弹簧(15)位于轴承座(1)下部，弹簧板(13)位于弹簧(15)的顶部，平衡环(12)位于弹簧板(13)的顶部，支撑柱(11)位于平衡环(12)的顶部，推力瓦基(5)位于支撑柱(11)的顶部，推力瓦面(6)位于推力瓦基(5)顶部，如此构成了一个支撑系统，其中平衡环(12)的刚度应为弹簧(15)刚度的50-100倍，以保障平衡环(12)在轴向维持一个比较小的变形状态。
自平衡结构负责平衡润滑轴承各推力瓦之间的不平衡载荷，以确 保各推力瓦所承受的载荷差保持最小。上平衡体(41)和下平衡体(42)依次连接构成平衡环(12)，下平衡体(42)内侧设有第一定位孔(37)，下平衡体(42)外侧设有第二定位孔(36)，上平衡体(41)与下平衡体(42)之间设有Z型连接立筋(35)；上平衡体(41)顶部设有矩形平台(34)，上平衡体(41)底部设有第一梯形平台(33)，上平衡体(41)侧面设有第一斜面(39)；下平衡体(42)底部设有柱面(31)，下平衡体(42)顶部设有第二梯形平台(32)，下平衡体(42)侧面设有第二斜面(38)，梯形结构是为减少连接处的应力；Z型连接立筋(35)上侧设有第一过渡圆弧(30)，Z型连接立筋(35)下侧设有第二过渡圆弧(29)。第一定位孔(37)与第一限位销(16)径向存在间隙，第二定位孔(36)与第二限位销(14)径向存在间隙，如此能够保证平衡环(12)处在非完全限位状态，使得当各瓦存在高度差时，通过蠕动和周向传递以降低各个瓦之间的高度差。
随动结构负责润滑轴承的自动随动功能，当推力面发生轴向窜动时及时随动推力面，以降低传统水润滑轴承结构中推力盘接触瓦面时多产生的瞬间冲击和动载荷。当推力瓦基(5)承载额定载荷时，压缩弹簧(15)，此时弹簧板(13)与轴承座(1)下部接触，平衡环(12)底部与弹簧板(13)顶部接触；当推力瓦基(5)载荷消失，在弹簧(15)弹力的作用下，弹簧板(13)和平衡环(12)向上移动，与推力瓦基(5)保持随动。弹簧板(13)与轴承座(1)内侧之间设有第一间隙(18)，弹簧板(13)与轴承座 (1)外侧之间设有第二间隙(19)，第一间隙(18)和第二间隙(19)能保证弹簧板(13)和平衡环(12)在轴向方向挪动顺畅。
流道结构负责给水润滑轴承提供流通功能，以便存储润滑水和形成流道。内压圈(8)外侧设有第一倒角(24)有利于水流平缓地流过抑制湍流，外压圈(2)内侧设有第二倒角(23)有利于水流平缓地流过抑制湍流。两个相邻推力瓦基(5)中间设有第一存水槽(22)，推力瓦基(5)内侧设有第二存水槽(26)，推力瓦基(5)外侧设有第三存水槽(25)，第一存水槽(22)能保证在相邻两个推力瓦基(5)间存留润滑用的水，第二存水槽(26)增加了推力瓦基(5)内侧存留润滑用水的空间，第三存水槽(25)增加了推力瓦基(5)外侧存留润滑用水的空间。
本发明提供的抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，能够保证在推力瓦载荷存在比较大差异时，动态地调整并缩小各瓦之间载荷差，从而减小瓦温及损耗，降低偏载所带来瓦面材料疲劳剥落的风险。同时，本发明具有自动随动功能，当推力盘发生轴向移动时，推力瓦可以动态实时随动推力盘发生轴向移动，使得推力瓦与推力盘从始至终保持接触，排除了水润滑轴承中碰撞瞬间的动载荷，缓解了动载荷对瓦面材料的冲击，提高了轴承运行的可靠性。本发明增加了自平衡功能，其中平衡环有两大特点，一是均载，即各推力瓦载荷存在比较大差值时，可自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在±10％以内，提 高了水润滑推力轴承的运行稳定性；二是结构连续性，即平衡环为上下平衡体整体连续，提高了水润滑推力轴承的可靠性。本发明改变了水润滑推力轴承无自平衡调整的设计理念，并增加了随动功能，开拓了大推力大尺寸水润滑推力轴承的新构架。
图1为适用于三代核电的抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，采取了自平衡和随动的特殊设计，降低瓦面冲击，增加了运行可靠性。本发明增加了自平衡功能，其中平衡环有两大特点，一是均载，即各推力瓦载荷存在比较大差值时，可自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在±10％以内，提高了水润滑推力轴承的运行稳定性；二是结构连续性，即平衡环为上下平衡体整体连续，提高了水润滑推力轴承的可靠性。该水润滑推力轴承可以承载165kN轴向载荷，工作额定转速1500r/min，并且允许短时120％超速运行1分钟。
如图1所示，抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，由限位结 构、支撑结构、自平衡结构、随动结构、流道结构五结构构成，轴承座1为水润滑推力轴承的主支撑平台，第一螺栓3经第一落地牢垫圈4将外压圈2锁紧在轴承座1上，第二螺栓9经第二落地牢垫圈10将内压圈8锁紧在轴承座1上。推力瓦面6插入推力瓦基5的上面，推力瓦基5底部安装在支撑柱11顶部；第三定位销17位于轴承座1外侧，第三定位销17插入推力瓦基5外侧底部，第四定位销7位于轴承座1内侧，第四定位销7顶部插入推力瓦基5内侧底部。支撑柱11位于平衡环12的顶部，平衡环12位于弹簧板13顶部，弹簧板13位于弹簧15顶部，弹簧15位于轴承座1下部。
如图2所示，轴承座1内侧设置多个第五间隙21，轴承座1外侧设置多个第六间隙20，两个相邻推力瓦基5之间设置第一存水槽22，在推力瓦基5内侧设置第二存水槽26，在推力瓦基5外侧设置第三存水槽。
如图3所示，平衡环12的三位视图，在平衡环12内侧设置多个第一定位孔37，在平衡环12外侧设置多个第二定位孔36。
如图4所示，平衡环12由上平衡体41和下平衡体42依次连接构成，下平衡体42内侧设有第一定位孔37，下平衡体42外侧设有第二定位孔36，上平衡体41与下平衡体42之间设有Z型连接立筋35。上平衡体41顶部设有矩形平台34，上平衡体41底部设有第一 梯形平台33，上平衡体41侧面设有第一斜面39，梯形结构是为了减小连接处的应力；下平衡体42底部设有柱面31，下平衡体42顶部设有第二梯形平台32，下平衡体42侧面设有第二斜面38；Z型连接立筋35上侧设有第一过渡圆弧30，Z型连接立筋35下侧设有第二过渡圆弧29。
这种自平衡结构需具备结构连续性为一体的平衡环，平衡环结构可以在不需要轴向预紧力的情况下，当各推力瓦载荷存在一定差值时，自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在±10％以内。这种自平衡结构提高了水润滑推力轴承的稳定性和可靠性，解决了CAP1400核主泵屏蔽电机的关键问题。
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本发明涉及抗扰动自平衡水润滑推力轴承支撑结构，由限位结构、支撑结构、自平衡结构、随动结构、流道结构五结构构成。本发明增加了自平衡功能，其中平衡环有两大特点，一是均载，即各推力瓦载荷存在比较大差值时，可自动调整各推力瓦高度，使其载荷波动幅值限制在10以内，提高了水润滑推力轴承的运行稳定性；二是结构连续性，即平衡环为上下平衡体整体连续，提高了水润滑推力轴承的可靠性。本发明在推力盘发生轴向移动时，确保推力。
