[发明专利]钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封

说明书

本发明提出一种钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封，以解决现有钠泵内循环工质的泄漏以及阻塞流体润滑油可能存在的漏入泵内而污染工质的问题，保证快堆的安全稳定长周期运行。其由动环、与动环两端形成自泵送流体密封结构的静环、弹簧、密封外壳等组成；动环与轴套上的销钉配合，实现对动环周向和轴向定位；紧定螺钉设置在轴套上；限位器可拆卸地设置在密封外壳或弹簧座与轴套之间，以限定轴套与弹簧座的轴向相对位置，改变弹簧弹力，使得动环与两个静环之间的压力相同；动环转动时，动环、密封外壳等围成的外密封空间充入的阻塞流体在压差作用下通过轴向径向组合孔道流进动环端面上所开的后弯型流体型槽中，形成一次次自泵送循环。

技术领域

本发明属于密封技术领域，特别涉及一种具有流体动静压效应的自泵送机械密封，适用于钠冷快堆核主泵壳体与泵轴之间的密封。

背景技术

核电正在世界范围内迎来新一轮的高速发展。从20世纪50年代末至60年代初，世界上建造第一批原型核电站以来，核电技术的发展已经经历了第一代、第二代，目前正在向第三代乃至第四代迈进。核电站反应堆种类较多，可分为轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆和快中子增殖堆等。按热力系统分，核电站有3种:单回路、双回路和三回路系统。单回路系统中，工质直接由反应堆进入汽轮机或燃气轮机，如沸水堆和采用氦气透平直接循环方式的高温气冷堆；双回路系统中，反应堆热量由一回路经蒸汽发生器传给二回路工质产生蒸汽，再推动汽轮机做功，压水堆和采用蒸汽透平循环方式的高温气冷堆属于此类型；三回路系统则更复杂一些，主要堆型为快中子增殖堆。不论何种热力系统及堆型，均需要冷却剂将堆芯中核裂变产生的热量带出以冷却堆芯并进行后续发电过程，这一冷却回路即为一回路系统，是核电站反应堆的核心系统。

反应堆一回路系统中进行循环的冷却剂常常具有高温、高压、强放射性等特点，必需严格控制冷却剂的泄漏。由于一回路循环系统中存在着泵/风机/压缩机/汽轮机/燃气轮机等转动设备，为解决其带来的冷却剂密封问题，工程上通常有2种方案：一是采用轴封型设备，即高可靠性核级机械密封；二是将泵等设备的驱动电机整体置于一回路压力壳内，这样就将存在泄漏风险的动密封转化为零泄漏的静密封，并使外部辅助系统大大简化，但这种方案将技术难点转移到了电机和轴承等设备或部件上。例如，对于压水堆，冷却剂泵(核主泵)电机必须采用屏蔽式或湿定子式，而主泵轴承则必须全部采用水润滑轴承；对于蒸汽透平循环的高温气冷堆，氦气风机主轴轴承需使用电磁轴承等无油式轴承。由于此类电机和轴承技术难度大、制造成本高，特别是大功率、大尺寸条件下，工作效率和可靠性的问题较难解决，因此应用了机械密封的一回路系统目前仍占据着主导地位。

作为第四代反应堆，快堆即快中子增殖堆，不用慢化剂，直接用裂变产生的快中子来引发核裂变链式反应，并能增殖核燃料、充分利用铀资源、大大减少核废料中长寿命核素。快堆冷却剂需具有传热性能好、不会慢化中子的性质，目前主要为液态金属和氦气。钠冷快堆一回路系统由堆芯、主泵(一次钠泵)、热交换器、主管道和其他部分组成。与其他反应堆一回路主循环泵的机械密封不同之处在于，钠冷快堆核主泵机械密封的工况压力低(571kPa)，温度低(70℃)，有利于实现密封的实现。但由于钠活性强，遇水或空气会发生爆炸，因此钠泵密封的可靠性要求高，设计需严格保证液态钠的零泄漏，同时还要保证地震载荷作用下短时间可靠密封以便关堆和堆芯热量的导出。

图1为钠冷快堆原型堆(PFBR)的一回路钠泵简图(王玉明，黄伟峰，李永健.核电站一回路用机械密封.摩擦学学报，2011,31(4)：408-416)。钠泵外壳内液态钠的自由液面上部充满氩气，在距离钠液面一定高度处设置机械密封。这种设计形式避免了密封与温度高达400～500℃的液态钠的直接接触，消除了对材料、结构等方面的诸多苛刻限制，使之可以使用常规的机械密封设计。