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1、1/28第七章第七章 反应堆主泵反应堆主泵张继革张继革上海交大核科学与工程学院上海交大核科学与工程学院核电站通用机械与设备2/28第七章第七章 反应堆主泵反应堆主泵n7.1 概述概述n7.2 全密封泵全密封泵n7.3 轴封泵轴封泵n7.4 轴封泵的密封结构和工作原理轴封泵的密封结构和工作原理n7.5 主泵系统的运行主泵系统的运行n7.6 主泵系统目前国内外研究现状主泵系统目前国内外研究现状3/287.1 概述概述n在主系统充水时，利用主泵赶气；在主系统充水时，利用主泵赶气；n在开堆前，利用主泵循环升温，达到开堆在开堆前，利用主泵循环升温，达到开堆280280条件；条件；n在在反反应应堆堆正正常
2、常运运行行时时，冷冷却却剂剂由由反反应应堆堆流流出出经经主主管管道道流流进进蒸蒸发发器器，把把热热量传给二回路侧给水，然后再由主泵送回反应堆进行循环。量传给二回路侧给水，然后再由主泵送回反应堆进行循环。n主主泵泵电电机机上上的的大大飞飞轮轮以以增增加加主主泵泵惰惰转转时时间间，保保持持适适当当惯惯量量，确确保保断断电电事事故时堆芯燃料元件不至烧毁。故时堆芯燃料元件不至烧毁。反应堆主冷却剂泵（主泵）是反应堆的反应堆主冷却剂泵（主泵）是反应堆的“心脏心脏”。主泵是反应堆冷却剂系统的主要设备和压力边界的设备之一。主泵是反应堆冷却剂系统的主要设备和压力边界的设备之一。7.1.1主泵功能主泵功能4/28
3、7.1 概述概述7.13 主泵分类主泵分类n能长期在无人维护条件下安全可靠地工作；能长期在无人维护条件下安全可靠地工作；n便于维修，辅助系统简单；便于维修，辅助系统简单；n主泵转动组件应能提供足够转动惯量，以便在全厂断电情况下，利用主泵转动组件应能提供足够转动惯量，以便在全厂断电情况下，利用主泵惰转提供足够的流量，使反应堆堆芯得到适当的冷却；主泵惰转提供足够的流量，使反应堆堆芯得到适当的冷却；n过流零部件表面材料要求采用奥氏体不锈钢或其它同等耐腐蚀材料；过流零部件表面材料要求采用奥氏体不锈钢或其它同等耐腐蚀材料；n带放射性的冷却剂的泄漏要少。带放射性的冷却剂的泄漏要少。7.1.2 基本要求基本
4、要求全密封泵，轴封泵全密封泵，轴封泵5/287.2 全密封泵全密封泵2.螺栓螺栓3.屏蔽套屏蔽套4.转子外套转子外套5.转子转子6.压紧板压紧板7.小叶轮小叶轮8.盖盖9.接线盒接线盒10.接线柱接线柱12.线圈线圈13.硅钢片硅钢片14.蛇形冷却管蛇形冷却管15.外壳外壳16.轴轴17.止推轴承止推轴承18.电机壳电机壳19.盖及迷宫密封件盖及迷宫密封件20.螺母螺母22.泵壳体泵壳体带屏蔽套的全密封泵带屏蔽套的全密封泵6/28湿湿定定子子全全密密封封泵泵但屏蔽泵存在以下问题：但屏蔽泵存在以下问题：n 屏蔽泵效率低，一般泵组效率只有屏蔽泵效率低，一般泵组效率只有5050至至7070，对于大容
5、量核电机组来说，对于大容量核电机组来说，显然经济性不够；显然经济性不够；n 屏蔽泵大部分零部件用耐腐蚀材料制屏蔽泵大部分零部件用耐腐蚀材料制造，造价昂贵，难度较高；造，造价昂贵，难度较高；n屏蔽泵若装设飞轮，液体的阻力将使屏蔽泵若装设飞轮，液体的阻力将使泵机组效率降低到不可接受的程度，泵机组效率降低到不可接受的程度，故此，屏蔽泵转动惯量通常很小。为故此，屏蔽泵转动惯量通常很小。为保障反应堆安全，采用屏蔽泵的核电保障反应堆安全，采用屏蔽泵的核电厂必须对主泵供电的可靠性作更严格厂必须对主泵供电的可靠性作更严格的要求；的要求；n屏蔽泵维修不方便。屏蔽泵维修不方便。屏蔽泵一般应用于容量较小的核动力装置
6、。屏蔽泵一般应用于容量较小的核动力装置。7.2 全密封泵全密封泵7/287.3 轴封泵轴封泵 随着对核电厂安全性与经济性要求的提高，并为适应大容量机组的随着对核电厂安全性与经济性要求的提高，并为适应大容量机组的要求，轴密封泵技术已日趋成熟。要求，轴密封泵技术已日趋成熟。它具有以下优点：它具有以下优点：n采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高。轴密封泵的效率一采用常规的鼠笼式感应电机，成本降低，效率提高。轴密封泵的效率一般比屏蔽泵高般比屏蔽泵高1010至至3030；n电机部分装设一只很重的飞轮，从而大大提高了机组的惰转性能，提高电机部分装设一只很重的飞轮，从而大大提高了机组的惰转性能，提高
7、了发生全厂断电事故时堆芯的安全性；了发生全厂断电事故时堆芯的安全性；n轴密封技术可以同样严格控制泄漏量，把安全壳的泄漏量控制在轴密封技术可以同样严格控制泄漏量，把安全壳的泄漏量控制在200cm200cm3 3/h/h左右；左右；n维修方便，轴密封结构更换仅需十小时左右。维修方便，轴密封结构更换仅需十小时左右。自自19651965年第一次将轴密封泵作为年第一次将轴密封泵作为PWRPWR核电厂主泵使用以来，已经迅速核电厂主泵使用以来，已经迅速取代了屏蔽泵的地位。但是在诸如舰船核推进、金属钠冷快堆、某些实取代了屏蔽泵的地位。但是在诸如舰船核推进、金属钠冷快堆、某些实验堆等场合下，屏蔽泵仍起重要作用。
8、验堆等场合下，屏蔽泵仍起重要作用。8/287.3 轴封泵轴封泵9/287.3 轴封泵轴封泵1.水力机械水力机械n泵壳泵壳n叶轮叶轮n吸入导流管和扩压器吸入导流管和扩压器n泵轴承泵轴承n热屏障组件热屏障组件2.电机电机n轴承轴承n飞轮飞轮n防逆转装置防逆转装置n定子空气冷却器定子空气冷却器n转子转子n定子定子n电机轴电机轴3.轴封组件轴封组件n入口和出口接管入口和出口接管n法兰法兰n泵轴泵轴10/287.3.1 水力机械水力机械n泵壳泵壳 泵泵的的外外壳壳包包容容并并支支持持着着泵泵的的水水力力部部件件，是是反反应应堆堆冷冷却却剂剂系系统统压压力力边边界界的的一一部部分分。泵泵壳壳是是一一个个外
9、外形形呈呈准准球球状状的的不不锈锈钢钢铸铸件件，其其出出入入口口接接管管焊焊接接在在一一回回路路系系统统管管道道上上。冷冷却却剂剂从从泵泵底底部部沿沿叶叶轮轮轴轴线线流流入入，向向上上导导流流进进入入叶叶轮轮。通通过过叶叶轮轮后后的的冷冷却却剂剂经经扩扩压压器器后后通通过过与与叶叶轮轮成成切切线线方方向的出口接管排出。向的出口接管排出。n叶轮叶轮 叶叶轮轮由由不不锈锈钢钢铸铸成成，有有7个个叶叶片片，用用热热装装和和加加键键固固定定在在泵泵轴轴的的下下端端，并并在在轴轴端端用用螺螺母母锁锁紧紧。叶叶轮轮是是泵泵的的核核心心部部件件。靠叶轮的旋转使流体获得能量靠叶轮的旋转使流体获得能量11/28
10、7.3.1 水力机械水力机械n吸入导流管和扩压器吸入导流管和扩压器 吸吸入入导导流流管管是是一一个个不不锈锈钢钢圆圆筒筒，用用螺螺栓栓固固定定在在泵泵壳壳的的内内侧侧。它它把把吸吸入入流流体体引引入入叶叶轮轮中中心心。吸吸入入导导管管和和叶叶轮轮吸吸入入接接管管之之间间由由迷迷宫宫密密封封环环阻阻挡挡从从排排出出室室向向吸吸入入室室的的流流体泄漏。体泄漏。扩扩压压器器由由不不锈锈钢钢铸铸造造而而成成，它它有有12个个导导叶叶，位位于于叶叶轮轮外外侧侧。扩扩压压器器的的作作用用是是降降低低在在扩扩压压叶叶片片之之间间的的延延伸伸流流道道中中的的流流体体流流速速，把把流流体体的的速速度度头头转转换
11、换成成静静压压头头。扩扩压压器末端与泵壳焊在一起、器末端与泵壳焊在一起、12/287.3.1 水力机械水力机械n泵轴承泵轴承 泵泵的的径径向向轴轴承承为为泵泵轴轴提提供供径径向向支支撑撑和和对对中中它它由由斯斯太太立立合合金金堆堆焊焊的的不不锈锈钢钢轴轴颈颈和和石石墨墨构构成成的的套套筒筒组组成成，用用水水润润滑滑和和冷冷却却。使使通通过过轴轴承承的的水水保保持持低低温温是是重重要要的的，因因为为高高温温会会破破坏坏石石墨墨并并使使轴轴承承损损坏坏。所所用用轴轴承承冷冷却却水水是是化化容容系统的轴封注入水的一部分。系统的轴封注入水的一部分。13/287.3.1 水力机械水力机械n热屏障组件热屏
12、障组件 在在叶叶轮轮与与泵泵径径向向轴轴承承之之间间装装有有热热屏屏障障。它它的的作作用用是是阻阻止止泵泵壳壳内内高高温温的的反反应应堆堆冷冷却却剂剂向向上上方方的的泵泵径径向向轴轴承承和和密密封封组组件件传传热热，使使泵泵径径向向轴轴承承免免受受高高温温。热热屏屏障障组组件件主主要要由由两两部部分分组组成成：一一是是安安装装在在导导叶叶内内侧侧的的隔隔热热套套，二二是是安安装装在在叶叶轮轮与与泵泵径径向向轴轴承承之之间间的的由由盘盘管管组组成成的的扁扁平平状状热热交交换换器器。隔隔热热套套阻阻止止反反应应堆堆冷冷却却剂剂向向上上方方的的泵泵径径向向轴轴承承传传热热，而而热热交交换换器器用用来
13、来冷冷却却可可能能沿沿轴轴向向向向上上的的反反应应堆堆冷冷却却剂剂流流，从从而而保保护护径径向向轴轴承承和和轴轴封封组组件件。在在轴轴封封水水断断流流的的情情况况下下，它它还还能能冷冷却却向向上上流流向向的的冷冷却却剂剂，以以确确保保轴轴承承的的冷冷却却和和润润滑滑，热热屏屏障障热热交交换换器器盘盘管管内内循循环环着着设设备备冷却水，供水温度冷却水，供水温度3514/287.3.2 电机电机n轴承轴承立式、鼠笼、单速、三相感应立式、鼠笼、单速、三相感应下部径向轴承下部径向轴承上部径向轴承上部径向轴承上下止推轴承上下止推轴承组合体组合体 止止推推轴轴承承油油提提升升系系统统，泵泵启启动动时时使使
14、用用，减减少少启启动动电电流流和和防防止止止止推推轴轴承承损损坏坏，有有一台小型高压油泵。一台小型高压油泵。泵泵运运转转时时，推推力力由由上上止止推推轴轴承承轴轴瓦瓦承承载载，这这个个载载荷荷来来自自反反应应堆堆冷冷却却剂剂系系统统的的压压力力和和泵泵的的动动态态力力，它它抵抵消消转转子重力后尚有余。子重力后尚有余。15/287.3.2 电机电机n飞轮飞轮 在在断断电电情情况况下下，停停堆堆后后短短时时间间内内必必须须保保持持足足够够的的流流量通过堆芯。量通过堆芯。增增加加转转动动惯惯量量，延延长长泵泵的惰转时间的惰转时间式中：式中：I转动惯量转动惯量N0额定工况泵轴功率额定工况泵轴功率n0额
15、定转速额定转速t从断电开始计算的时间从断电开始计算的时间n(t)t时刻的转速时刻的转速16/287.3.2 电机电机n防逆转装置防逆转装置 电电机机顶顶部部装装有有止止逆逆机机构构，防防止止主主泵泵逐逐台台起起动动、停停止止，而而引引起起介介质质倒倒流流从从而而导导致致泵泵的的倒倒流流问问题题。它它不不仅仅能能承承受受倒倒灌灌流流量量的的力力矩矩，还还能能承承受受当当电机电缆反接时在电机电缆反接时在100%100%电压下的电机起动力矩。电压下的电机起动力矩。17/287.3.2 电机电机n电动机定子空气冷却器电动机定子空气冷却器 电电动动机机定定子子绕绕组组是是由由空空气气冷冷却却的的。电电动
16、动机机转转子子两两端端均均带带有有风风叶叶，电电动动机机旋旋转转时时，风风叶叶强强迫迫空空气气流流动动，为为增增加加冷冷却却能能力力设设置置了了空空气气冷冷却却器器。空空气气冷冷却却器器内内有有设设备备冷冷却却水水通通过过。从从安安全全壳壳吸吸入入的的空空气气经经该该空空气气冷冷却却器器降降温温后后，流流入入电电动动机机机机架架中中的的冷冷却却槽槽冷冷却却定定子子绕绕组组，然然后排入安全壳大气中。后排入安全壳大气中。18/287.4 轴封泵的密封结构和工作原理轴封泵的密封结构和工作原理1#2#3#来自化容系统轴密封注入水来自化容系统轴密封注入水15.85MPa，7.8m3/h冷却径向轴承及热屏
17、热交换器冷却径向轴承及热屏热交换器15.85MPa，7.1m3/h流回化容系统流回化容系统0.45MPa，0.6634m3/h0.7m3/h7.6 L/h0.1MPa0.12MPa疏水箱疏水箱疏水箱疏水箱7.6 L/h立管立管轴封水流向示意图轴封水流向示意图19/287.4 轴封泵的密封结构和工作原理轴封泵的密封结构和工作原理n1号密封号密封主密封，液膜主密封，液膜不锈钢圆环，表面涂氧化铝不锈钢圆环，表面涂氧化铝设计间隙，设计间隙，A1=A2，F1=F2，力平衡，力平衡间隙间隙，阻力增加，阻力增加，b点上移，点上移，A1A2，F1F2，静环上移，间隙，静环上移，间隙，直到，直到F1=F2间隙间
18、隙，阻力减小，阻力减小，b点下移，点下移，A1A2，F1F2，静环下移，间隙，静环下移，间隙，直到，直到F1=F220/287.4 轴封泵的密封结构和工作原理轴封泵的密封结构和工作原理n2号密封号密封动环：碳化铬动环：碳化铬静环：石墨静环：石墨21/287.4 轴封泵的密封结构和工作原理轴封泵的密封结构和工作原理n3号密封号密封动环：碳化铬动环：碳化铬静环：石墨静环：石墨22/287.5 轴封泵的运行轴封泵的运行主泵启停的主要原则主泵启停的主要原则启动前一回路必须有足够的压力，以便可以：启动前一回路必须有足够的压力，以便可以：n防止主泵气蚀，如压力不足，泵内空穴现象的产生将引起气蚀。因此，防止
19、主泵气蚀，如压力不足，泵内空穴现象的产生将引起气蚀。因此，只有在吸入水头达到允许值只有在吸入水头达到允许值(2.3MPa)(2.3MPa)的条件下，才能使泵投入运行，必的条件下，才能使泵投入运行，必须遵循规定的运行条件。须遵循规定的运行条件。n保证第一道轴封的分离，由于第一道轴封是可控泄漏流体动力型轴封，保证第一道轴封的分离，由于第一道轴封是可控泄漏流体动力型轴封，只有一回路压力大于时，它才能被只有一回路压力大于时，它才能被“抬起抬起”，冷却剂泵才能运转，对应，冷却剂泵才能运转，对应的第一道轴封的内压差的第一道轴封的内压差 7.9MPa7.9MPa，相应的轴封泄漏流量应大于，相应的轴封泄漏流量
20、应大于50l/h50l/h。n对第一道轴封，由于低压和过低的泄漏量不能保证泵轴承的正常润滑，对第一道轴封，由于低压和过低的泄漏量不能保证泵轴承的正常润滑，因此必须打开第一道轴封的旁路管线，只要第一道轴封泄漏量低于因此必须打开第一道轴封的旁路管线，只要第一道轴封泄漏量低于180l/h180l/h，旁路管线就一直开着。，旁路管线就一直开着。n轴承和推力轴承要有正常油压和油位，为此，冷却剂泵启动前轴承和推力轴承要有正常油压和油位，为此，冷却剂泵启动前2min2min就必就必须使高压油泵运转，并且在冷却剂泵启动须使高压油泵运转，并且在冷却剂泵启动50s50s以后才允许停止，所提供以后才允许停止，所提供
21、的油压通常必须为的油压通常必须为9.0 MPa9.0 MPa（必须高于，在（必须高于，在 之间）。之间）。23/287.5 轴封泵的运行轴封泵的运行n由于启动时荷载极大，因此每次只能启动一个电动泵组，每天最多启由于启动时荷载极大，因此每次只能启动一个电动泵组，每天最多启动次数限于动次数限于6 6次，如主泵在停止后再次开动，则必须待电动机定子冷却次，如主泵在停止后再次开动，则必须待电动机定子冷却后才能启动。后才能启动。n冷却剂泵启动时，有关其它系统应具备的条件是：冷却剂泵启动时，有关其它系统应具备的条件是：n化学和容积控制系统在每台泵的热屏入口处必须有一股化学和容积控制系统在每台泵的热屏入口处必
22、须有一股7.8m7.8m3 3/h/h的的注入流量；注入流量；n由设备冷却水系统冷却的热交换器必须供水，因而设备冷却水系统由设备冷却水系统冷却的热交换器必须供水，因而设备冷却水系统必须处于工作状态；必须处于工作状态；n硼和补给水系统必须可用，以保证对平衡管进行补水和冲刷第三道硼和补给水系统必须可用，以保证对平衡管进行补水和冲刷第三道轴封。轴封。在发出停止冷却剂泵指令之前，必须将高压油泵投入运行，直至在发出停止冷却剂泵指令之前，必须将高压油泵投入运行，直至主泵停止主泵停止50s50s以后。以后。24/287.5 轴封泵的运行轴封泵的运行冷却剂泵运行曲线冷却剂泵运行曲线25/28秦山核电厂（一期）
23、秦山核电厂（一期）主泵设计参数主泵设计参数 秦山核电厂（一期）采用的是秦山核电厂（一期）采用的是秦山核电厂（一期）采用的是秦山核电厂（一期）采用的是KSBKSBKSBKSB公司的公司的公司的公司的RER700RER700RER700RER700型主泵，它是立式、型主泵，它是立式、型主泵，它是立式、型主泵，它是立式、单级、导叶式混流泵（国外有时也称离心泵）。其主要参数如上表所单级、导叶式混流泵（国外有时也称离心泵）。其主要参数如上表所单级、导叶式混流泵（国外有时也称离心泵）。其主要参数如上表所单级、导叶式混流泵（国外有时也称离心泵）。其主要参数如上表所示。该泵由泵壳及其安全端、转子部件、轴密封部
24、件、轴承部件、油示。该泵由泵壳及其安全端、转子部件、轴密封部件、轴承部件、油示。该泵由泵壳及其安全端、转子部件、轴密封部件、轴承部件、油示。该泵由泵壳及其安全端、转子部件、轴密封部件、轴承部件、油系统、轴封水和设冷水系统组成。机组总高系统、轴封水和设冷水系统组成。机组总高系统、轴封水和设冷水系统组成。机组总高系统、轴封水和设冷水系统组成。机组总高9.5m9.5m9.5m9.5m，反应堆冷却剂从，反应堆冷却剂从，反应堆冷却剂从，反应堆冷却剂从底部轴向进水，水平径向排出，从传动端看泵为逆时针方向旋转。底部轴向进水，水平径向排出，从传动端看泵为逆时针方向旋转。底部轴向进水，水平径向排出，从传动端看泵
25、为逆时针方向旋转。底部轴向进水，水平径向排出，从传动端看泵为逆时针方向旋转。7.6 主泵系统目前国内外研究现状主泵系统目前国内外研究现状26/287.6 主泵系统目前国内外研究现状主泵系统目前国内外研究现状 秦秦山山核核电电二二期期工工程程和和大大亚亚湾湾核核电电站站都都是是采采用用100D 型型反反应应堆堆冷冷却却剂剂泵泵(RCP)，大大亚亚湾湾主主泵泵是是法法国国日日蒙蒙公公司司按按照照20 世世纪纪70 年年代代从从美美国国西西屋屋公公司司引引进进的的技技术术和和法法国国RCC-M 标标准准制制造造的的；而而秦秦山山二二期期工工程程主主泵泵是是1995 年年由由西西屋屋公公司司设设计计的
26、的产产品品，除除主主泵泵泵泵壳壳是是按按照照RCC-M 标标准准制制造造外外，其其它部件完全是按照它部件完全是按照ASME 等美国规范制造的。等美国规范制造的。目目前前国国外外生生产产轴轴封封式式主主泵泵的的厂厂家家很很多多，美美国国有有西西屋屋、拜拜伦伦杰杰克克逊逊、宾宾汉汉等等公公司司。其其中中西西屋屋公公司司的的产产品品最最多多。法法国国的的法法马马通通公公司司、意意大大利利菲菲亚亚特特公公司司、比比利利时时的的ACECACEC公公司司和和日日本本三三菱菱高高砂砂制制作作所所等等，引引进进了了西西屋屋公公司司的的技技术术，它它们们都都能能生生产产上上述述主主泵泵。德德国国KSBKSB公公
27、司司是是西西欧欧的的主主要要核核泵泵生生产产企企业业，其其产产品品大大量量输输出出。国国外外主主泵泵生生产产厂厂家家竞竞争争非非常常激激烈烈，美美国国西屋公司为了保持领先地位，总在不断更新主泵结构。西屋公司为了保持领先地位，总在不断更新主泵结构。我我国国反反应应堆堆冷冷却却剂剂主主泵泵的的设设计计和和制制造造水水平平与与发发达达国国家家的的差差距距非非常常大大，国国内内所所有有在在运运行行和和在在建建的的核核电电站站冷冷却却剂剂主主泵泵全全部部是是从从国国外外采采购购的的。只只有有出出口口巴巴基基斯斯坦坦恰恰希希玛玛一一期期30万万千千瓦瓦核核电电站站的的主主泵泵是是沈沈阳阳水水泵泵厂厂和和哈
28、哈尔滨电机厂与西德合作生产制造，国产化率达到尔滨电机厂与西德合作生产制造，国产化率达到50%。27/287.6 主泵系统目前国内外研究现状主泵系统目前国内外研究现状 其其中中泵泵壳壳是是由由中中国国第第一一重重型型机机械械集集团团加加工工制制造造，核核泵泵轴轴、导导流流罩罩、隔隔热热体体等等30余余种种关关键键部部件件的的大大锻锻件件是是中中科科院院沈沈阳阳金金属属研研究究所所负负责责研研制制的的，机机械械密密封封等等关关键键部部件件是是从从国国外外进进口口的的。沈沈阳阳水水泵泵厂厂还还建建立立了了主主泵泵综综合合试试验验回回路路，该该回回路路是是沈沈阳阳水水泵泵厂厂参参考考大大量量国国外外资
29、资料料自自行行设设计计开开发发建建造造的的试试验验台台架架，能能满满足足300MW1300MW核核主主泵泵性性能能，测测试试和和运运转转考考核核试试验验。控控制制与与仪仪表表部部分分完完全全模模拟拟核核电电站站主主泵泵控控制制设设计计要要求求，可可考考核核主主泵泵联联锁锁设设计计的的合合理理性性及及备备测测试试仪仪表表的的可可靠靠性性。主主要要设设计计参参数数：工工作作温温度度20288；设设计计温温度度350，工工作作压压力力315MPa；设设计计压压力力，流流量量最最大大27000m3/h，功功率率8500kW。沈沈阳阳水水泵泵股股份份有有限限公公司司虽虽然然是是国国内内唯唯一一一一家家具具有有核核主主泵泵设设计计制制造造能能力力的的厂厂家家，但但是是在在设设计计制制造造百百万万千千瓦瓦级级核核电电站站主泵方面还有许多关键技术尚未突破。主泵方面还有许多关键技术尚未突破。28/287.6 主泵系统目前国内外研究现状主泵系统目前国内外研究现状