[發(fā)明專利]一種低功耗核主泵飛輪的表面減阻織構(gòu)及加工方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811465200.9
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109654164B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設計）人: 潘學民;雷明凱;朱小鵬;王偉光;李昱鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: F16F15/30
• 分類號: F16F15/30;F15D1/00;C21D1/09;C21D9/00
• 代理公司: 大連星海專利事務所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

一種低功耗核主泵飛輪的表面減阻織構(gòu)及加工方法，屬于核電裝備設計與制造領(lǐng)域。這種表面減阻織構(gòu)設置在核主泵飛輪的保護套表面,保護套的表面減阻織構(gòu)采用微尺度的波峰、波谷相間的波浪形狀。表面減阻織構(gòu)的加工方法利用具有高能量密度和短脈沖特征的強流脈沖離子束對飛輪保護套表面進行沖擊加工，在材料表面瞬間實現(xiàn)高密度能量沉積，造成材料表面溫度的急劇升高，使表面發(fā)生熔化、蒸發(fā)和局部微區(qū)選擇性燒蝕而形成波峰?波谷的織構(gòu)表面。這樣加工出的飛輪保護套表面減阻織構(gòu)，在不改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)前提下實現(xiàn)減阻，降低無用功耗，不損及飛輪結(jié)構(gòu)安全性，減阻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，加工方法簡單且易于調(diào)控。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種低功耗核主泵飛輪的表面減阻織構(gòu)及加工方法，屬于核電裝備設計與制造領(lǐng)域。

背景技術(shù)

先進核電站基于更高的安全考慮，核主泵機組內(nèi)不允許使用軸封結(jié)構(gòu)，采用立式、單級、無軸封屏蔽式核主泵輸送大流量、高溫、高壓的反應堆冷卻劑，是有效調(diào)整反應堆溫度、保證反應堆安全的重要設備。為了保證屏蔽式核主泵在反應堆緊急停堆或全廠斷電事故等工況下，仍能提供一定的惰轉(zhuǎn)流量，繼續(xù)驅(qū)動反應堆冷卻劑循環(huán)，冷卻堆芯，為緊急停堆操作提供必要的緩沖時間，因此在屏蔽式核主泵電機軸上安裝大慣量的飛輪，保證核主泵停堆后具有足夠的惰轉(zhuǎn)能力，保證反應堆的安全。

屏蔽式核主泵飛輪位于壓力邊界內(nèi)，周圍被冷卻劑流體包圍，運行時大直徑的飛輪與冷卻劑流體交互作用會產(chǎn)生無用功耗，使機組效率降低，核主泵機組的整體尺寸變大，而小直徑的飛輪無法滿足機組所需轉(zhuǎn)動慣量的要求，為降低核主泵機組的整體尺寸，提高機組效率，采用上、下2個飛輪，且利用高密度的重金屬鎢合金增加轉(zhuǎn)動慣量的雙金屬結(jié)構(gòu)飛輪。公開號CN 202790311 U專利公開了先進核電站核主泵用重金屬鎢合金飛輪結(jié)構(gòu)核主泵飛輪，主要由鎢合金塊、輪轂、保持環(huán)和保護套構(gòu)成。即便采用上述措施，浸沒在冷卻劑流體中的核主泵飛輪功耗依然巨大，據(jù)估算粘滯摩擦功耗至少是核主泵功率的1/5（核動力工程. 2017，第38卷，第1期，95-98頁），在長期服役運行過程中，累積耗能可觀。

表面織構(gòu)減阻、微汽泡減阻、高聚合物添加劑減阻、超疏水表面涂層減阻等是典型的水下減阻方法（力學進展.2009年，第39卷，第5期，546-553頁）。核主泵內(nèi)冷卻劑壓力環(huán)境（17.3 MPa）及核主泵安全性要求，不允許飛輪采用微氣泡減阻方法，而高聚合物添加劑減阻方法會由于添加減阻劑而改變冷卻劑的成分及理化特性，同樣不適用核主泵飛輪減阻，超疏水表面涂層穩(wěn)定性及粘附性差，在飛輪60年超長服役期內(nèi)存在剝落風險。飛輪保護套是隔離冷卻劑的非承力載荷部件，在飛輪保護套表面直接加工出織構(gòu)實現(xiàn)減阻是一種安全可靠且簡單易行的方法。

傳統(tǒng)的織構(gòu)通過激光、沖擊、電化學腐蝕等方法加工，通常為圓形、橢圓形、矩形、三角形等規(guī)則形狀。一個典型案例是具有圓形凹坑型表面織構(gòu)葉輪降低因粘性阻力產(chǎn)生的葉輪扭矩，減小湍動產(chǎn)生的能量耗散，提高了離心泵的效率（上海交通大學學報.2016年，第50卷，第2期，307-321頁）。飛輪與泵軸同步旋轉(zhuǎn)，泵殼相對靜止，泵殼和飛輪保護套之間被冷卻劑液體填充，冷卻劑流態(tài)是典型的旋轉(zhuǎn)間隙環(huán)流（核技術(shù). 2013年，第36卷，第4期，040623-1）。上述規(guī)則形狀織構(gòu)在核主泵飛輪間隙環(huán)流水力工況下減阻效果有限，而間隙環(huán)流在波浪狀織構(gòu)的波谷處容易產(chǎn)生二次流動漩渦，這些漩渦就像壁面與流體之間夾著一排滾柱，起到了類似“滾柱軸承”的作用，使流體與壁面的滑動摩擦變成了滾動摩擦，從而達到減阻目的（力學進展.2009年，第39卷，第5期，546-553頁），因此提出一種飛輪間隙環(huán)流水力工況條件的飛輪保護套表面波浪狀減阻織構(gòu)及加工方法是十分有工程意義的。

發(fā)明內(nèi)容

為實現(xiàn)核主泵冷卻劑浸沒飛輪減阻、降低無用功耗的目的，本發(fā)明提出一種核主泵飛輪保護套表面波浪狀減阻織構(gòu)及加工方法。利用具有高能量密度和短脈沖特征的強流脈沖離子束對飛輪保護套表面進行沖擊加工，在材料表面瞬間實現(xiàn)高密度能量沉積，造成材料表面溫度的急劇升高，使表面發(fā)生熔化、蒸發(fā)和局部微區(qū)選擇性燒蝕而形成波峰-波谷的織構(gòu)表面。