钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封的制作方法

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。

按照现有技术，钠泵借鉴轻水堆(包括压水堆和沸水堆)、重水堆、石墨气冷堆的第3级密封，即采用润滑油阻塞的双端面机械密封或气体阻塞的干气密封来实现密封。对于采用润滑油阻塞的双端面机械密封，通常保持阻塞润滑油压力高于工质气体的压力，以防止保护氩气漏出至阻塞流体中，并在工质气体侧机械密封下部的轴套上安装甩油环，以保证压力较高的阻塞润滑油漏入泵腔时能经由甩油环和集液孔道流入集液桶而不污染钠液。对于采用气体阻塞的干气密封，通常保持阻塞气体压力高于工质气体的压力，以防止保护氩气漏出至阻塞气体中。

然而，采用气体阻塞的干气密封，工作时需要辅助系统提供结净的阻塞气体以维持干气密封的非接触运行；同时，压力高于工质气体的阻塞气体，会通过密封端面间隙漏入泵腔，造成阻塞气体损失和保护氩气污染和压力升高。特别是，在地震等非正常轴向载荷作用下密封端面瞬间脱开后，大量润滑油漏入甩油环时，集液孔道来不及流过，就会沿气道流入泵腔形成钠液污染，严重威胁钠冷快堆的安全。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压自泵送机械密封，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。

本发明的技术方案是：

一种钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封，设置于钠泵的壳体和泵轴2之间，由动环10、动环用O形圈9、静环8、12、静环用O形圈7、13、弹簧6、15、弹簧座5、14、密封外壳16、轴套1、轴套用O形圈17、限位器4、销钉11和紧定螺钉3等组成，

动环10及其两侧的静环8、12、弹簧座5、14均穿套在轴套1上；动环10与轴套1之间用O形圈9密封连接；动环10上下两端为动环密封端面，每一动环密封端面与1个静环配合，静环8、12的外圆面与密封外壳16之间用O形圈7、13密封连接；静环的另一端面分别支撑有3个以上的弹簧，弹簧的另一端作用在弹簧座5、14上，弹簧座5、14连接于密封外壳，使动环密封端面和静环端面之间获得一定的端面比压；动环10通过位于动环下部的径向封闭轴向开口的销孔与轴套上的销钉11配合，实现对动环10周向定位，并保持销钉11与销孔底部接触同时实现对动环10的轴向定位；设置在轴套上的紧定螺钉3用于轴套1与泵轴2相对位置的固定；限位器4可拆卸地设置在密封外壳16或弹簧座5、14与轴套1之间，用于限定轴套1与密封外壳16或弹簧座5、14的轴向相对位置，以改变支撑两个静环的弹簧的弹力，使得动环两端的密封端面与两个静环之间的压力相同；

静环用O形圈7、13、动环10、密封外壳16围成外密封空间，外密封空间内充入阻塞流体；

与静环8、12配合的动环密封端面分为槽区和密封坝37，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝37分布在端面的内侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽39，后弯型流体型槽39之间的密封端面构成密封堰；动环10上下两端的动环密封端面上的槽区和密封坝37以动环中截面M-M对称布置；

所述后弯型流体型槽39包括坡槽32和平槽33两个部分，坡槽32处于动环端面的大半径部位，平槽33处于动环端面的小半径部位；

所述后弯型流体型槽39的出口位于动环密封端面的外径处，进口31位于动环3密封面的中部，所述后弯型流体型槽39的进口31通过动环10上的轴向径向组合孔道30与外密封空间连通；

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁，一侧为工作面34，另一侧为非工作面35；

所述后弯型流体型槽39中的阻塞流体，在动环旋转时，被后弯型流体型槽39的工作面加速成高速流体，在离心力作用下，沿非工作面35向动环10外径侧流动而泵送至外密封空间内，并在后弯型流体型槽39的进口31处形成低压区，外密封空间内的阻塞流体在压差作用下通过动环10上与外密封空间连通的轴向径向组合孔道30流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环；

所述被后弯型流体型槽39工作面34加速成高速的阻塞流体，在被泵出后弯型流体型槽39的过程中，随着后弯型流体型槽39的流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成分离动环10和静环8、12的开启力。

销钉11与销孔底部接触实现对动环10的轴向定位，这样动环的重量由销钉支撑，动环的重量不会传递到下部的静环上，也保证支撑上部静环的上部弹簧能有一定的压缩量。如果无销钉对动环10的轴向定位，支撑下部静环的下部弹簧需要承受2个静环的重量和一个动环的重量，动环两端的密封端面与两个静环之间的压力不会相同。这一次次的自泵送循环过程，一方面，实现了机械密封的自润滑；另一方面，外密封空间内阻塞流体在密封面之间的不断循环，把密封面之间的摩擦热及时带走，实现了密封的自冲洗；而离心力的作用，增加了流体流向动环10密封面外侧的动力，降低了流体流向动环10密封面内侧的泄漏率；特别是，离心力的作用，使得进入后弯型流体型槽39中的含有固体颗粒的阻塞流体，能够产生固体颗粒与基质分离，其中密度大的固体颗粒获得较大的离心力，随流体被泵出重新送至外密封空间内中，不进入密封坝37区，避免了密封面之间的磨粒磨损。

作为进一步的改进，轴套用O形圈17、轴套1、下部的静环12及静环用O形圈13、动环10、钠泵的壳体、泵轴2围成的工质腔，工质腔内下部是高温金属钠液，上部是保护氩气；外密封空间内阻塞流体也为氩气，且阻塞流体的压力不小于工质腔内氩气的压力。由于阻塞流体的压力不小于工质腔内氩气的压力，所以工质腔内的氩气不会通过静环与动环之间的密封端面泄漏而进入外密封空间。即使是地震载荷作用下出现瞬间动静环脱开，也只可能是阻塞流体通过静环与动环之间的密封端面泄漏而进入工质腔内，但由于阻塞流体与工质腔内上部介质相同，所以即使阻塞流体进入工质腔也不会对核主泵的工作造成影响。

作为进一步的改进，支撑两个静环的弹簧数量、结构相同，弹簧刚度为K；两个静环结构相同，重量为GJ；支撑位于动环下部静环的弹簧的压缩长度△x2与支撑位于动环上部静环的弹簧的压缩长度△x1满足：△x2-△x1＝2GJ/K，以使得动环两端的密封端面与两个静环之间的压力相同。

本技术所述的双端面流体动静压机械密封在工作时，轴套通过紧定螺钉3在泵轴2上固定，动环通过销钉11实现在轴套上的轴向和周向定位，因此动环相对于泵轴2的位置是固定的。

由于动环上部的静环其重力拉伸其弹簧，而动环下部的静环其重力压缩其弹簧，导致相同弹簧压缩量下上下静环对动环密封端面的压力不同，引起工作过程中2个密封副(动环与静环的接触面)的磨损量不同，导致双端面密封寿命缩短，因此需要调节支撑上下两个静环的上下弹簧的弹力(或者压缩长度)。

对于动环来说，受到上部静环对其压力Y1，下部静环对其压力Y2，自身的重力GD，销钉对其的支撑力ZD；Y1+GD＝Y2+ZD。如果，上部静环对动环的压力Y1等于下部静环对动环的压力Y2，则销钉对动环的支撑力ZD应该等于动环的重力GD。

对于上部的静环来说，Y1＝K△x1+GJ；对于下部的静环来说，K△x1＝Y2+GJ。若Y1＝Y2，即K△x1+GJ＝K△x2-GJ，则△x2-△x1＝2GJ/K。

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线均为螺旋线。

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线具有相同的螺旋角。

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线的螺旋角不等，工作面34的螺旋角小于非工作面35的螺旋角。

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁型线的螺旋线与进口31圆孔相切。

所述动环10上的轴向径向组合孔道30与动环10外圆面的连接处的横截面为楔状开口。上面所述的双端面流体动静压机械密封，所述后弯型流体型槽39的进口31通过动环10上的轴向径向组合孔道30与外密封空间连通；在动环旋转时，外密封空间内的阻塞流体在压差作用下通过动环10上与外密封空间连通的轴向径向组合孔道30流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环。

作为本发明的另一技术方案，所述后弯型流体型槽39的进口31与设置在动环10或静环8、12密封面中部的圆形环槽36连通，所述圆形环槽36通过位于动环或静环上的与外密封空间连通；在动环旋转时，外密封空间内的阻塞流体在压差作用下通过静环上与外密封空间连通的轴向径向组合孔道30、圆形环槽36流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环。

所述圆形环槽36具有收集自润滑、自冲洗介质和防止泵送介质不均匀以及后弯型流体型槽39进口31处的流体补充不及时出现空化的作用。

动环10上下两端的动环密封端面上的槽区和密封坝37以动环中截面M-M对称布置，也保证了2个密封副(动环与静环的接触面)结构相同，使得两个密封副的磨损量相同，延长使用寿命。动环中截面M-M是指垂直于动环轴线的、将动环在轴向方向上把动环等分的横截面。

本发明的有益效果。

本发明所述的一种自泵送流体动压型机械密封，具有以下几个优点：

①具有优越的密封性能，实现了零泄漏，适用于钠冷快堆核主泵用密封。动环用O形圈9、静环用O形圈7、13、轴套用O形圈17防止了工质腔内的氩气的泄漏；由于阻塞流体压力不小于工质腔内氩气的压力，加上阻塞流体一次次的自泵送循环，有效阻止了工质腔内的氩气从动环与静环之间的密封端面处的泄漏。

②动环旋转时，不同质量粒子产生不同的离心力，使得本发明的机械密封具有自动清除固体颗粒功能，能避免密封坝的磨粒磨损，从而不需要提供额外的过滤辅助系统。

③使用范围宽，既可用作气体密封，又可用作液体密封。

④独特的自润滑、自冷却冲洗功能，保证了密封工作的稳定性和耐久性。

⑤在静止状态下阻塞流体直接注入动静环密封面之间，消除了动静环密封面之间启动瞬间的固体摩擦，并在启动瞬间迅速形成流体膜。

⑥集装式结构，装配快捷方便。由于本发明具有可以拆卸的限位器4，所以可以在安装使用之前把产品(密封外壳16、动环10、静环8、12、弹簧座5、14、轴套1、销钉11、紧定螺钉3等)组装成型，形成一个“集装式”的机械密封。安装时，把其一并穿套在泵轴上，将下部的弹簧座15与钠泵的壳体固定，再将紧定螺钉3拧在泵轴上，再拆下限位器4即可。

附图说明

图1为钠冷快堆原型堆(PFBR)的一回路钠泵简图。

图2为动环开设后弯型流体型槽和轴向径向组合孔道的自泵送流体动压型机械密封安装前的轴截面结构示意图。

图3为动环开设后弯型流体型槽和轴向径向组合孔道的自泵送流体动压型机械密封安装后的轴截面结构示意图。

图4为动环开设后弯型流体型槽、静环开设轴向径向组合孔道的自泵送流体动压型机械密封安装前的轴截面结构示意图。(圆形环槽可开在动环上，也可开在静环上)

图5为动环开设后弯型流体型槽、静环开设轴向径向组合孔道的自泵送流体动压型机械密封安装后的轴截面结构示意图。(圆形环槽可开在动环上，也可开在静环上)

图6为开设后弯型流体型槽和轴向径向组合孔道的动环端面示意图。

图7为开设后弯型流体型槽和圆形环槽的动环端面示意图。

图8为与图7相配合的、开有轴向径向组合孔道的静环端面示意图。

图9为开设后弯型流体型槽的动环端面示意图。

图10为与图9相配合的开设圆形环槽和轴向径向组合孔道的静环端面示意图。

其中，

R1—动环和静环之间相互贴合的密封端面的内半径；

R2—动环和静环之间相互贴合的密封端面的外半径；

Rp—型槽台阶半径

Ro—型槽进口孔位置半径

Rk—型槽进口孔半径

R3—型槽进口环槽内半径

R4—型槽进口环槽外半径

G—流体型槽的泵汲方向

w—动环的旋向

轴套1、泵轴2、紧定螺钉3、限位器4、弹簧座5、弹簧6、静环用O形圈7、静环8、动环用O形圈9、动环10、销钉11、静环12、静环用O形圈13、弹簧座14、弹簧15、密封外壳16、轴套用O形圈17、轴向径向组合孔道30、进口31、坡槽32、平槽33、工作面34、非工作面35、圆形环槽36、密封坝37、后弯型流体型槽39、机械密封40、止推轴承41、泵轴42、导向轴承43、叶轮44、动环中截面M-M。

具体实施方式

下面结合附图和三个实施例详细说明本发明的实施方式。

先对三个实施例的相同的构造进行说明。

参见图2、3或者图4、5，这三个实施例均为钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封，由动环10、动环用O形圈9、静环8、12、静环用O形圈7、13、弹簧6、15、弹簧座5、14、密封外壳16、轴套1、轴套用O形圈17、限位器4、销钉11和紧定螺钉3等组成。

具体地说，动环10及其两端的静环8、12、弹簧座5、14均穿套在轴套1上；动环10与轴套1之间用O形圈9密封连接；动环10上下两端为动环密封端面，每一动环密封端面与1个静环配合，静环8、12的外圆面与密封外壳16之间用O形圈7、13密封连接；静环的另一端面分别支撑有3个以上的弹簧，弹簧的另一端作用在弹簧座5、14上，弹簧座5、14通过螺栓固定连接在密封外壳的上下部，使动环密封端面和静环端面之间获得一定的端面比压；动环10通过位于动环下部的径向封闭轴向开口的销孔与轴套上的销钉11配合，实现对动环10周向定位，并保持销钉11与销孔底部接触同时实现对动环10的轴向定位；紧定螺钉3设置在轴套上。

两个静环结构相同，重量均为GJ。支撑位于动环下部静环的弹簧15与支撑位于动环上部静环的弹簧6的数量相同，刚度均为K，且它们均布在静环的周向方向上。

限位器4为两个半圆形的限位半环组成的剖分式限位环，限位环通过螺钉可拆卸地连接上部的弹簧座5的上表面，限位环的内侧伸入在轴套1上所开的限位槽内，使得轴套1与密封外壳16、弹簧座5、14的在轴向保持在某个位置。在该位置时，弹簧15的压缩长度△x2与支撑位于动环上部静环的弹簧6的压缩长度△x1满足：△x2-△x1＝2GJ/K，这样动环两端的密封端面与两个静环之间的压力相同。

静环用O形圈7、13、动环10、密封外壳16围成外密封空间，外密封空间内充入作为阻塞流体的氩气。

参见图6、7、9，与静环8、12配合的动环密封端面分为槽区和密封坝37，槽区分布在端面的外侧部分，密封坝37分布在端面的内侧部分；槽区开设3组以上的后弯型流体型槽39，后弯型流体型槽39之间的密封端面构成密封堰；动环10上下两端的动环密封端面上的槽区和密封坝37以垂直于动环轴线、经过动环中间位置的动环中截面M-M对称布置。

所述后弯型流体型槽39包括坡槽32和平槽33两个部分，坡槽32处于动环端面的大半径部位，平槽33处于动环端面的小半径部位；

所述后弯型流体型槽39的出口位于动环密封端面的外径处，进口31位于动环3密封面的中部，所述后弯型流体型槽39的进口31通过动环10上的轴向径向组合孔道30与外密封空间连通；

所述后弯型流体型槽39的两侧槽壁，一侧为工作面34，另一侧为非工作面35；

所述后弯型流体型槽39中的阻塞流体，在动环旋转时，被后弯型流体型槽39的工作面加速成高速流体，在离心力作用下，沿非工作面35向动环10外径侧流动而泵送至外密封空间内，并在后弯型流体型槽39的进口31处形成低压区，外密封空间内的阻塞流体在压差作用下通过动环10或静环8、12上与外密封空间连通的轴向径向组合孔道30等流道流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环；

所述被后弯型流体型槽39工作面34加速成高速的阻塞流体，在被泵出后弯型流体型槽39的过程中，随着后弯型流体型槽39的流通截面积的逐渐增大，流速降低，压力增大，形成分离动环10和静环8、12的开启力。

上述钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封，是集装式机械密封，可以在工厂组装后到现场快捷安装。安装时，把轴套1穿套在钠泵的泵轴2上，将下部的弹簧座15与钠泵的壳体密封固定，再将紧定螺钉3拧在泵轴上。此时，轴套、弹簧座15(包括密封外壳16、弹簧座4等)的位置均被固定，所以然后再拆下限位器4，并不会改变轴套与弹簧座的相对位置，保证了弹簧15的压缩长度△x2与弹簧6的压缩长度△x1处于出厂时的设定长度，使得工作中的动环两端的密封端面与两个静环之间的压力相同，延长了使用寿命。

使用时，轴套用O形圈17、轴套1、下部的静环12及静环用O形圈13、动环10、钠泵的壳体、泵轴2围成工质腔，工质腔内下部是高温金属钠液，上部是保护氩气；外密封空间内的氩气的压力不小于工质腔内氩气的压力。由于阻塞流体的压力不小于工质腔内氩气的压力，所以工质腔内的氩气不会通过静环与动环之间的密封端面泄漏而进入外密封空间。即使是地震载荷作用下出现瞬间动静环脱开，也只可能是阻塞流体通过静环与动环之间的密封端面泄漏而进入工质腔内，但由于阻塞流体与工质腔内上部介质相同，所以即使阻塞流体进入工质腔也不会对核主泵的工作造成影响。

下面再对各实施例的不同的构造分别进行说明。

三个实施例的主要不同点在于：轴向径向组合孔道30是开在动环还是在静环上，是否具有圆形环槽，圆形环槽是开在动环还是在静环上。下面分别说明。

实施例1：动环上开有轴向径向组合孔道的钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封

参见图2、3、6所示，位于动环上下两端的后弯型流体型槽39的进口31均通过开在动环10上的轴向径向组合孔道30与外密封空间连通。在动环旋转时，外密封空间内的阻塞流体如氩气在压差作用下通过动环10上的轴向径向组合孔道30流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环。

实施例2：动环上圆形环槽、静环上开有轴向径向组合孔道的钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封

参见图4、5、7、8所示，动环上后弯型流体型槽39的进口31与设置在动环10密封面中部的圆形环槽36连通。开在静环上轴向径向组合孔道30的一端与外密封空间连通，另一端与所述圆形环槽36在轴向相对。

在动环旋转时，外密封空间内的阻塞流体如氩气在压差作用下通过静环上的轴向径向组合孔道30、动环上的圆形环槽36流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环。

实施例3：静环上开有圆形环槽和轴向径向组合孔道的钠冷快堆核主泵用双端面流体动静压机械密封

参见图9、10所示(参考图4、5)，动环上后弯型流体型槽39的进口31与开在静环密封面中部的圆形环槽36连通，所述圆形环槽36通过开在静环上的轴向径向组合孔道30与外密封空间相通。在动环旋转时，外密封空间内的阻塞流体如氩气在压差作用下通过静环上的轴向径向组合孔道30、静环上的圆形环槽36流进后弯型流体型槽39中，形成一次次自泵送循环。