/
Автор: Будов В.М. Митенков Ф.М. Новинский Э.Г.
Теги: общее машиностроение технология машиностроения транспортирование, распределение и хранение жидкостей и газов установки, оборудование и аппаратура ядерная энергетика (атомная энергетика) энергетика насосы атомные электростанции ядерные реакторы насосные станции
ISBN: 5-283-03808-4
Год: 1990
Текст
Выпуск 31
Основана в 1984 году
ф. М. МИТЕНКОВ
э г. новинскии
в. М. ВУДОВ
ГЛАВНЫЕ
ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ
НАСОСЫ
Под общей редакцией
члена-корреспондента АН СССР
Ф М МИТЕНКОВА
2-е издание, переработанное
и дополненное
На’ ' 1 !• 6iu •" 2
К. с t к с г е
_ А и Лен! я .
.lu’xrtkr кхтитугу
~ _^Г-- ~ J- —
МОСКВА
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
1990
троск-
ГНЫМИ
а к йе-
на ния
еских
?редь,
с кого
бог ы.
сегда
низи-
нных
ации,
деиы
•отки
гуль-
бра-
кон-
кон
ата.
оры
»ных
щие
кти-
.ной
1ЬКО
гиге
ных
1ТС-
рии
из-
ни-
хн.
зук
3
ББК 31 47
М66
УДК [621.311 25:621.039] :621.65
Митенков Ф. М. и др.
М66 Главные циркуляционные насосы АЭС/
Ф. М Митенков, Э Г Новинский. В. М. Будов,
Под общ ред. Ф. М. Митенкова.— 2-е изд., перераб.
и доп.— М.: Энергоатомиздат. 1989.— 376 с.: ил.—
(Б-ка эксплуатационника АЭС; Вып 31)
ISBN 5-283-03808 4
Описаны условия работы циркуляционных насосных агре-
гатов в ядерных реакторах, требования к конструкции, виды
и типы насосов Рассмотрены известные конструкции водяных
и натриевых насосов, изложена методика экспериментальной
отработки проточной части и Насосного агрегата в целом
Приведены результаты эксплуатации насосов на объектах. Пер-
вое издание вышло в 1984 г
Для инженерно-технических и научных работников
„ 2205000000-080 „„
М 051(00-90 ' 76-90
ББК 31.47
ISBN 5-283-03808-4
С Энергоатомиздат 1984
g) Авторы, 1990, с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ
К настоящему времени накоплен значительный опыт проек-
тирования, строительства и эксплуатации АЭС с различными
типами реакторов, который требует обобщения н анализа как не-
обходимого этапа в обеспечении дальнейшего совершенствования
вновь создаваемых АЭС, повышения их технико-экономических
показателей.
Эффективность работы АЭС определяется, в первую очередь,
оптимальностью конструкционных решений технологического
оборудования и надежностью (безотказностью) его работы.
Поэтому задача совершенствования оборудования АЭС всегда
будет актуальной
В предлагаемой читателю книге сделана попытка проанализи-
ровать и обобщить опыт создания гчавных циркуляционных
насосов для АЭС и сформулировать некоторые рекомендации,
которые представляются авторам существенными Приведены
также описания конструкций и экспериментальной отработки
насосов и их основных узлов в стендовых условиях, резуль-
таты эксплуатации ГЦН в условиях АЭС, изложены сообра-
жения о перспективе дальнейшего совершенствования их кон-
струкций Особое внимание уделено инженерным вопросам коп
струирования, обеспечивающим надежность насосного ai регата
Используя имеющуюся информацию и личный опыт, авторы
ставят цель довести до читателя представления об оптимальных
решениях основных узлов и сформулировать соответствующие
рекомендации, которые могли бы помочь конструктору в практи-
ческой деятельности Излагаемый материал в значительной
степени может быть использован при создании насосов нс только
для АЭС, но и для других отраслей промышленности. В книге
не приводятся известные методы гидравлических и прочностных
расчетов, поскольку они достаточно хорошо освещены в лите-
ратуре [I. 2] и др. В тех случаях, когда обращение к теории
лопастных машин было необходимо для последовательного из-
ложения материала, это делалось в весьма сжатой форме
Авторы признательны заслуженному деятелю науки и техни-
ки РСФСР д-ру техн, наук профессору II. М. Синеву, д-ру техн,
наук профессору В А Марцинковскому, канд. техн, наук
3
В С. Чеховичу, канд техн наук П. Н. Вороне и другим, сделав-
шим ряд ценных указаний при просмотре работы, и благодарят
всех за высказанные замечания
Авторы выражают благодарность также инженеру В И. Ка-
лентьсву за помощь в оформлении рукописи книги и подготовке
материалов к печати.
Одним из инициаторов написания данной книги был канд.
техн, наук, лауреат Ленинской премии СССР, доцент Е. II. Чер-
номордик, много и плодотворно работавший в этой области
Неожиданная кончина нс позволила ему принять участие в за-
вершении задуманного Авторы постарались сохранить и раз-
вить идеи, высказанные им при рассмотрении плана-проспекта
книги и се отдельных глав.
Авторы, естественно, не претендуют на исчерпывающий охват
темы и заранее благодарят читателей за все замечания, кото-
рые могут способствовать улучшению киши
Авторы
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
Первое издание книги вызвало значительный интерес спе-
циалистов. Следствием этого и явилась необходимость во втором
издании.
По результатам обсуждения замечаний во второе издание
были внесены некоторые уточнения н дополнения. Наибольшим
изменениям подверглись гл. 3 и 6. Значительное место отведено
вопросам кавитации, поскольку кавитационный режим работы
циркуляторов в первом контуре при определенных условиях
может приводить к нежелательным и даже недопустимым ре-
зультатам работы реактора.
В книгу включена также информация по некоторым вопросам
проектирования и расчета ГЦН АЭС по материалам публика-
ций последних лет.
Известно, что общие проблемы безопасности АЭС требуют
тщательного анализа и учета конструктивных особенностей
ГЦН, всестороннего исследования поведения их в аварийных
ситуациях. Для этого необходимо детальное знание конструкций
ГЦН, их ресурсных возможностей Не вызывает сомнения и ут-
верждение, что систематическая работа по повышению надежно-
сти ГЦН является одним из основных условий повышения
технико-экономической эффективности АЭС.
Все это предполагает обобщение накопленного опыта. Авторы
считают своим долгом внести и свою лепту в эту проблему.
При подготовке рукописи неожиданно скончался один из
авторов д-р техн, наук, профессор, зав. кафедрой АЭС Горьков-
ского политехнического института В. М Будов. что несколько
отразилось па реализации задуманного.
Авторы
ВВЕДЕНИЕ
За короткий период становления ядерная энергетика претер-
пела весьма значительные изменения:
единичная электрическая мощность блоков АЭС возросла до
1000—1500 МВт;
стабилизировались основные схемные и конструкционные
решения АЭС с водо-водяными и кипящими реакторами, полу-
чившими наибольшее распространение, что позволило присту-
пить к решению проблемы стандартизации АЭС этого тина;
конкретизированы основные условия обеспечения безопасно-
сти АЭС и вытекающие из них технические требования к раз-
личным видам оборудования;
достигнута высокая надежность работы основного оборудо-
вания и АЭС в целом,
определены перспективные типы ядерных энергетических
установок (ЯЭУ) для АЭС, атомных теплоэлектроцентралей
(АТЭЦ), атомных станции теплоснабжения (ACT) с учетом
реальных оценок запасов ядсриого топлива, условий его исполь-
зования и переработки.
Современный уровень развития ядерной энергетики и необ-
ходимость дальнейшего совершенствования АЭС определяют
потребность в систематическом анализе и обобщении опыта
создания и эксплуатации АЭС в целом и отдельных видов их
оборудования. Именно такого типа исследования позволяют
обеспечить дальнейшее совершенствование АЭС, повышение их
технико-экономических показателей, надежности и безопасности,
а также выявить и обосновать наиболее перспективные направ-
ления совершенствования конструкций основного оборудования.
Это в полной мере относится к насосным агрегатам реакторных
установок. Независимо от типа используемых реакторов и схем-
ных особенностей ядерных установок одним из обязательных
для ЯЭУ видов оборудования являются насосы На
рис В 1 — В.З показаны принципиальные тепловые схемы АЭС
с реакторными установками различного тина, которые нагляд-
но подтверждают сказанное.
Насосы обеспечивают циркуляцию теплоносителя через
реактор (первый контур), парогенераторы (второй контур) и во
вспомогательных контурах. Надежность эксплуатации реактора,
5
Рис В 1 Принципиальная схема одноконтурной АЭС:
I — реиктор; 2 - паровая турбина; J — электрогенератор; 7 — конденсатор; 5 — кон-
денсатный накис. 6 — пароструйный эжектор; 7 — ГЦН
Рис. В.2 Принципиальная схема двухконтурной АЭС с корпусным водо-водяным
реактором:
/ — реактор; 2— компенсатор объема; 3 парогенератор; / — деаэратор; 5 — электро-
генератор; б—паровая турбина. 7 — конденсатор; 8 конденсатный насос; 9 паро-
струйный эжектор. 10 — питательный насос; It — ГЦН
Рис. В.З. Принципиальная схема
трехконтурной АЭС с реактором на
быстрых нейтронах с натриевым
теплоносителем:
I — реактор; 2 — промежуточный тепло-
обменник; 3— компенсатор объема; )—
парогенератор; 5 - пароная турбина 6
электрогенератор 7 конденсатор. Л
конденсатный насос; 9 — пароструйный
эжектор; 10— деаэратор; II— пита-
тельный насос; 12 — главные циркулями
онные натриевые насосы
его работоспособность в нормальных, переходных и аварийных
режимах, работоспособность вспомогательного охлаждаемого
оборудования непосредственно зависят от наличия циркуляции
теплоносителя и других охлаждающих сред, т. е. от работоспо-
собности насосов соответствующих контуров. Этим обьясняется
то внимание, которое уделяется проектантами вопросам надеж
нои работы циркуляционных средств, и в первую очередь на-
сосам первого контура (насосы первого контура часто назы-
вают главными циркуляционными насосами — ГЦН)
Главные циркуляционные насосы ((ЦП) АЭС представляют
собой сложные ai регаты со значительным числом обслужи-
вающих систем и контрольно-измерительных средств На
рис. В.4 показан общий вид ГЦН для АЭС с реактором РВМК,
а на рис. В.5 приведена типовая структурная схема ГЦН в
виде комплекса, который включает в себя следующие присут-
ствующие практически во всех конструкциях типовые узлы:
приводной электродвигатель, подшипниковые опоры с системой
6
ник и пяту
Масло
из пяты
Нагнетание
Масло б подтип
Масло из подшипника
и пяты
Вода из ГСП
Вода 6 ГСП
Вова на —------
всасывание насоса
из заколе
области
Вова из уплотнения
—. \Водп-
М^лянаЯэмульсия
Вода вуплотнение
Вода из уплотнения
f Всасывание
Рис В 1. Общий вид насосного агрегата реактора РБМК-1000 (без обслуживаю-
щих систем)
— площадка обслуживания 2 электродвигатель; 3 — маховик 4 — соединительная
муфта. 5— станина электродвигателя; 6'— фундаментная рама; 7 - бак насоса
7
Рис. В 5. Типовая структурная схема
ГЦН
1 — проточней часть насоса; 2—нижний
радиальный подшипник. 3 — холодильник
уплотнения нала; 4 — блок уплотнения
вала 5 радиально-осевой подшипник;
6 соединительная муфга, 7 — электро-
двигатель. 8 — система смазки 9 —
система питания уплотнения вала; 10 —
система охлаждения, II система пита
ния радиального подшипника
смазки, уплотнение вращающегося вала с системой питания
и охлаждения, проточную часть насоса
При создании насосов для АЭС руководствуются общей
теорией центробежных и осевых насосов, теорией подшипнико-
вых опор, опытом создания и эксплуатации насосов различного
типа и назначения. Специфические условия работы насосов в
ядерных установках, повышенные требования к их ресурсной
надежности, ограничения по доступности для контроля, обслу-
живания и ремонта обусловили рождение новой подотрасли
энергетического машиностроения — насосостроепия. Насосы
для АЭС отличаются значительными особенностями конструк-
ционно-компоновочных схем и ори! инальностью ряда ответ-
ственных узлов, таких, как подшипниковые опоры, уплотнения,
внутренние контуры циркуляции, средства контроля и т. н
Специфические требования, предъявляемые к этим насосам, при-
вели к необходимости более детального изучения процессов,
характерных для соответствующих узлов насоса, что в целом
8
резко расширило наши представления об условиях и факторах,
определяющих эффективность работы и ресурс как отдельных
узлов, так и агрегата в целом.
ГЦН современных АЭС рассчитаны на потребление большой
мощности (1500—6000 кВт). Суммарная их мощность состав-
ляет 1—3% электрической мощности реакторною блока. На-
пример, на АЭС с реакторами РБМК-1000 мощность двигателей
ГЦН одного блока равна 27 000 кВт, а суммарная мощность
ГЦН реактора ВВЭР-1000 — около 25 000 кВт. Суммарная мощ-
ность насосов первого контура реактора БН-600 равна
10 500 кВт, а насосов второго контура — 4500 кВт.
Создание насосного агреюта для АЭС в соответствии с уста-
новившимися требованиями к характеристикам и надежности
является сложной инженерной задачей. Be решение может быть
обеспечено конструкторскими коллективами, располагающими
достаточным опытом проектирования энергетических машин и
производственно-экспериментальной базой. Созданием ГЦН за
рубежом занимаются такие известные фирмы, как «Hayward
Tyler» и «Rolls Royse» (Великобритания), «Jencral Electric» и
«Westinghouse Electric Co.», «Вутоп Jackson Pump Div.» (США),
KSB. «HalbcTg» и «Feodor Burgmann» (ФРГ), «Pompes Gui-
nard» и «Hispano — Suiza» (Франция), «Sulzer» (Швейцария),
«Hitachi» (Япония) и др Сложность ГЦН и высокие техниче-
ские требования, предъявляемые к ним, обусловливают отно-
сительно высокую их стоимость Например, стоимость комплек-
та ГЦН (4 шт.) для одного блока АЭС электрической мощностью
1000 МВт составляет 4,4% стоимости оборудования реакторной
и турбогенераторной установок в целом [3]. Следует отметить
также длительность разработки ГЦН, которая из-за большого
объема экспериментальных работ достигает 4—6 лет.
За время становления ядерной энергетики конструкция
ГЦН претерпела значительные изменения. В первых ЯЭУ при
относительно небольших мощностях блоков [100—400 МВт
(эл.)| наблюдалась выраженная тенденция использования для
реакторов с водой под давлением (ВВЭР) бессальниковых
герметичных насосов, а для реакторов с натриевым теплоноси-
телем — электромагнитных насосов различного типа Последую-
щий опыт сооружения ЯЭУ показал, что при увеличении еди-
ничной мощности блока вдвое удельная стоимость снижается
на 20—24%. Такое увеличение мощности требует более со-
вершенного оборудования Поэтому проектанты стали ориенти-
роваться на электромеханические насосы с уплотнением вращаю-
щегося вала. Этот переход был продиктован стремлением по-
высить КПД насосных агрегатов, который в случае использо-
вания герметичных насосов заведомо меньше 60%, а также
неизбежным усложнением конструкционных решений в герметич-
ных насосах с ростом их мощности Кроме того, переходные
9
режимы в АЭС, а также необходимость предупреждения не-
допустимого развития аварийных ситуаций в реакторе при
обесточивании и некоторых других неисправностях требовали
обеспечения достаточно продолжительного выбега обесточенно-
го насоса. Для герметичных и электромагнитных насосов воз-
можность удовлетворения этого требования практически исклю-
чается. в то время как в насосах с уплотнением вала задача
решается без особых трудностей (в частности, за счет искусст-
венного увеличения момента инерции ротора агрегата)
К настоящему времени конструкционные схемы ГЦН устано-
вились. но конкретное исполнение основных узлов (проточной
части, радиальных и осевых подшипников, уплотнения вращаю-
щегося вала) непрерывно совершенствуется
Это обусловлено необходимостью повышения ресурсной на-
дежности, безотказности и технико-экономических характеристик
АЭС в целом. Поэтому оптимизация конструкции ГЦН продол-
жает оставаться актуальной задачей.
Можно выделить следующие основные направления, кото-
рые будут определять перспективу развития конструкций ГЦН
для АЭС:
увеличение подачи при одновременном снижении удельной
потребляемой мощности (рост КПД);
дальнейшее повышение ресурса, увеличение межремонтного
периода;
совершенствование технологичности конструкции с одновре-
менным улучшением качества изготовления определяющих
конструкционных элементов при строжайшем выполнении тре-
бовании нормативных документов |4—7];
повышение ремонтопригодности в процессе эксплуатации;
реализация проектных схем, обеспечивающих повышенную
автономность I ЦН при эксплуатации как в нормальных, так и в
аварийных режимах.
Следует отметить, что хотя различные типы АЭС имеют
свои характерные особенности, однако основные технические
требования, лежащие в основе поиска перспективных решений,
имеют достаточно общий характер. Этим и объясняется тот
интересный факт, что специалисты разных стран приходят к
достаточно близким оптимальным конструкционным решениям
Глава 1
МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ГЦН НА АЭС
1.1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ГЦН
Главные циркуляционные насосы (ГЦН) предназначены для
поддержания надежной устойчивой циркуляции теплоносителя
через реактор и основное теплообменное оборудование ЯЭУ (теп-
лообменники. парогенераторы), что является необходимым
условием надежного теплоотвода из активной зоны реактора,
транспортирования тепла в теплообменное оборудование и
дальнейшего его использования в соответствии с запроектиро-
ванной технологической схемой К настоящему времени известно
большое количество технически обоснованных тепловых схем
ЯЭУ, различающихся числом контуров циркуляции (одно-
двух-трехконтурные) или числом пететь циркуляции в каждом
контуре1
Рис. I I . (вухпетлевая схема циркуля
ции по главному контуру на 1 блоке
Белоярской АЭС с реактором каналь-
ного типа
1 реактор 2 главные задвижки:
3—насосы аварийного расхолаживания;
4— ГЦН; 5— барабан-сепараторы
Рис 1.2. Чечырехпетлевая схема цир-
куляции по главному контуру на V
блоке Нововоронежской АЭС с реакто
ром ВВЭР 1000
/ теплообменник аварийного впрыска
бора; 2 — ГЦН 3 — главная запорная
задвижка; / — парогенератор- 5 барбо-
тажный бак; 6—компенсатор объема;
7—реактор- 8 — емкость аварийного за-
паса бора; 9 — теплообменник фильтров
первого контура
U
Двухпетлевая схема циркуляции использована на I блоке Белоярской
АЭС с реактором канального типа (рис. I И В каждой петле предусматрива-
ются один ГЦН и один насос аварийного расхолаживания. В случае отклю-
чения одного из ГЦН автоматически отключается и ГЦН второй петли, но
одновременно и также автоматически включаются оба насоса аварийного
расхолаживания, обеспечивающие суммарную подачу, равную 15% номи-
нальной.
Четырехпетлевая схема выбрана для блоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000
(рис. 12) В случае остановки одного из ГЦН соответственно снижается мощ
ность реактора.
Пятипетлевая схема циркуляции теплоносителя применена в реакторе с
натриевым теплоносителем БН-350 в г Шевченко (рис. 13). Такое же ко-
личество петель предусмотрено и в промежуточном контуре циркуляции »тог(г
реактора.
На рис 1.4 приведена тепловая схема шести петлевого контура циркуля-
ции, использованная в ряде блоков АЭС с реакторами ВВЭР 440. Аналогичная
схема первого контура, но только с тремя циркуляционными петлями примене-
на в ГДР на АЭС «Bruno Loischner»
Первый контур АЭС с реактором РБМК-1000 оборудован восемью петлями
циркуляции, дне из которых — резервные (рис, 1.5). Петли объединены по
четыре в две гидравлически не связанные группы, каждая из которых имеет
общие напорный и всасывающий коллекторы и охлаждает одну половину
(сторону) реактора При выходе из строя одного из ГЦН включается резервный
ГЦН соответствующей стороны. Если же по каким-либо причинам резервный
Рис 1.3. 11ятнпетлевая схема циркуляции по первом} контуру на АЭС с реак-
тором БН 350
/ — реактор. 2 — холодные ловушки оксидов, ? — промежуточный теплообменник
•/ переливной бачок; 5. 6 — циркуляционный насос первого и второго контуров
соответственно; 7 — испаритель. 8 — пароперегреватель
12
Пар к турбине
Вход
азота
Пар к турбине
Питательная
т-*~ вода
Пар к турбине
От подпиточных
насосов
Питательная
вода
Па,
то
Питательная
вода
Пар н
турбине
Питательная
вода
Питательная
вода
Пар к турбине
J Пи та тельная
вода
На специальную Водоочистку
Рис. 1.4. Шестипетлевая схема циркуляции по первому контуру на I блоке
Нововоронежской АЭС с корпусным реактором типа ВВЭР
/ запорный клапан; 2 ЦН 3 — парогенератор 7 реактор; 5 — компенсатор
объема
Рис. 1.5. Восьмипетлевая схема циркуляции по главному контуру АЭС с реак-
тором РБМК 1000:
I ЦН 2 — всасывающий коллектор 3 — барабан сепараторы. 4 — напорный
коллектор; 5 — реактор. 6 деаэратор. 7 — питательные насосы; 8—турбоагрегат;
9- главный конденсатор; 10— конденсатный насос. 11— фильтр конденсата, /2—
подогреватель
ГЦН не включился (например находился в ремонте), останавливается один
из ГЦН другой стороны реактора и вся установка переходит на меньшую на-
грузку.
На абсолютном большинстве АЭС с водоохлаждаемыми
реакторами предусматривается принудительная циркуляция за
счет насосов *. Следовательно, надежность и обоснованность
Исключение составляют ЯЭУ, в которых используется естественная циркуляция
теплоносителя
13
таких схем в значительной степени определяются надежностью
работы ГЦН. Поэтому при выборе компоновочной схемы ГЦН в
целом, а также при поиске оптимальных решений отдельных
узлов и элементов исходным руководящим требованием является
необходимость обеспечения высокой надежности ГНН при до-
статочно большом ресурсе. ГЦН являются составной частью
первого контура циркуляции ЯЭУ и условия их работы — это.
естественно, условия первого контура. Для реакторов, в которых
в качестве теплоносителя используется вода, характерно вы-
сокое рабочее давление; от 7—8 МПа (для кипящих реакторов)
до 12—18 МПа (для некипящих реакторов). При проектирова-
нии, кроме тою, должны учитываться возможные повышения
давления при различных переходных и аварийных режимах.
ГЦН, как правило, располагаются в контуре на входе в реактор,
где во всех нормальных режимах температура перекачиваемой
среды является наименьшей, хотя и достигает (например, в
реакторах с водой под давлением) 250—300 С.
Условия на АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БН)
с натриевым теплоносителем существенно отличаются от условий
для АЭС с ВВЭР Рабочее давление в натриевых контурах
низкое. Оно слагается из давления газовой подушки (давление
газа в нервом контуре примерно 0,01 МПа, во втором контуре
0,1—0,3 МПа), давления столба натрия и напора ГЦН Следо-
вательно, в отличие от реакторов с водяным теплоносителем,
в установках с реакторами на быстрых нейтронах давление в
контуре не является определяющим при решении вопросов
прочности оборудования Температура же в натриевых контурах
существенно выше, чем в водяных контурах: на входе в реактор
300 —400° С, на выходе из реактора 500—565 ' С, на входе в па-
рогенератор (второй контур) 450 — 550 С, на выходе из пароге-
нератора 270—350° С.
Важнейшей характерной особенностью ЯЭУ является радио-
активность теплоносителя, перекачиваемого через реактор. В об-
щем случае радиоактивность теплоносителя обусловлена на-
веденной активностью самого теплоносителя, активностью про-
дуктов коррозии, загрязняющих теплоноситель, и радиоактив-
ными продуктами деления, которые могут попасть в теплоноси-
тель при нарушении герметичности части тепловыделяющих
элементов Для разных теплоносителей соотношение указанных
выше источников активности существенно различно. Физиче-
ские характеристики реактора (плотность потока нейтронов,
энергетический спектр нейтронов), параметры контура цирку-
ляции, обусловленные схемными и конструкционными реше-
ниями (период циркуляции теплоносителя, время облучения и
т п.), используемые конструкционные материалы также влияют
на долю их вкладов в активность теплоносителя источников
различной природы. Для иллюстрации в табл. 1 1 приведены
Таблица 1.1
Теплоноситель Реактор Общая актив кость. Ки/л Источник, определяющий активность теплоносителя
при работе реактора после остановки реактора
Вода (Н>О) ВВЭР ю-' l6O(n. p)l6N Радиоактивные про- дукты деления, продукты корро- зии
Натрий (Na) БН-350 15 23n24n 2’Na, {п. 2n)22Na
Гелий (Нс) ВГ 400 Менее 10 2 Радиоактивные про- л\кты деления Радиоактивные про дукты деления
Г идростабилизиро ванный газойль «Лрбус» Менее КГ2 То же То же
данные по активности теплоносителя для различных реакторов.
Из за активности перекачиваемого теп поносителя проточная
часть ГЦН и корпусные конструкции, контактирующие с тепло-
носителем, должны иметь соответствующею биологическую за-
щиту. Поэтому обычно ГЦН размещаются, как и другое актив-
ное оборудование ЯЭУ, в специальных прочно-ппотных боксах
с ограниченным доступом персонала. Условия работы верхней
ходовой части ГЦН совместно с приводным электродвигателем *
с точки зрения радиационной обстановки допускают различные
компоновочные решения
На АЭС с ВВЭР-210 и ВВЭР 365 (1 и 11 блоки Новово-
ронежской АЭС) ходовые части ГЦН с приводными электро-
двигателями размещены в необслуживаемых при работе реакто-
ра боксах вместе с трубопроводами и Другим оборудованием
первого контура Каким бы надежным ни был насосный агре-
гат, оставлять его без периодического осмотра в течение mhoi их
месяцев работы нежелательно, т е целесообразно обеспечить
хотя бы кратковременный доступ к агрегату
На III и IV блоках Нововоронежской АЭС электрическая
часть ГЦН вынесена за биологическую защиту. Корпус на-
соса с гидравлической частью остался под железобетонным
перекрытием. С помощью эластичной мембраны, прикрепленной
одним концом к корпусу насоса, а другим — к опорной плите,
помещение насосной герметично отделяется от необслуживаемого
бокса, что препятствует возможному распространению пара,
радиоактивных газов или аэрозолей.
На АЭС с ВВЭР-440, РБМК и БН электродвигатели со-
вместно с верхней ходовой частью насосов также находятся
вне защитных боксов и доступны для недлительного непосред-
ственного наблюдения (рис. 1.6, 1 7) ГЦН для ВВЭР 1000 и
АСТ-500 ( насосы промежуточного контура) располагаются вне
* Во всех ЯЭУ для привода I ЦН используется электродвигатель (см гл 2)
15
Рис 1 6 Компоновка основного оборудования в здании АЭС с реактором
РБМК-1000:
/ — ГЦН: 2 электродвигатель ГЦН. i кран мостовой 50/10 т; / барабан сепа-
ра юр. 5 кран мостовой с дистанционным управлением. 6 — перегрузочная машина
/ — реактор
биологической бетонной защиты, но их осмотр и прямой контроль
предполагают посещение внутреннего объема защитной обо-
лочки (см. рис. 1 2).
В трехконтурных установках с реакторами БН для насосов
второго контура ограничения, связанные с радиоактивностью,
отпадают.
1(>
Рис 1.7. Продольный разрез основной части главного корпуса АЭС с реакто
ром ЬН 600 *
1 парогенератор, 2—насос второго контура 3 насос первого контура 4— реактор
1.2. ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ГЦН ТРЕБОВАНИЯ
Требования, которым должны удовлетворять ГЦН, можно
условно разделить на проектные, технологические и эксплуата-
ционные.
Проектные требования. В задании на проектирование ГЦН
оговариваются требования к гидравлической характеристике
напор — подача (Н — Q), к мощности (N), частоте вращения
ротора (и) (постоянная, переменная). В современных АЭС ГЦН
являются мощными энергетическими агрегатами, для которых
характерны большие подача, напор и, соответственно, большая
мощность В табл. 1.2 приведены основные характеристики
ГЦН для некоторых отечественных и зарубежных АЭС.
Большие подача и мощность ГЦН обусловлены, с одной
стороны, тенденцией к увеличению единичной мощности реакто-
ра, с другой — уменьшением числа параллельно включенных
петель в ЯЭУ Уменьшение числа петель приводит к уменьше-
нию числа единиц оборудования и при прочих равных усло-
виях способствует повышению надежности АЭС. Оптимизация
----------—--------- П
На* ков 1 б1бл«отеха
Ки“1СЬ.Ч0Г9 *
о Р д г и а Л е н i н а к
2 — 173
Таблица 12
АЭС реактор Рабочие параметры I ЦН
Подача, м'/ч Напор м Мощность. кВт Частота вращения об/мин
ВВЭР-210 5250 62 1650 1460/375
ВВЭР-365 5600 68 1500 1460/360
ВВЭР-440 6500 50 1100 1500
ВВЭР-1000 20 000 92 4800 1000
Белоярская АЭС I блок 940 145 520 3000
11 блок 915 210 750 3000
РБМК 1000 8000 200 4300 1000
«Dresden 2» 5800 52 510 970
«Indian Point 2» 4000 30 400 1184
«Nine Mile Point 1» 8200 37 1000 820
«Sequoyah» 20 000 84 4400 1189
БН 350 (первый контур) 3200 140 1700 1000/250
БН-600 (первый контур) 9700 95 3150 250- 970
БН 1600 (первый контур) 18 200 98 5500 150—750
«Phenix» 4200 76 880 890
«Super Phenix» 18 000 70 4000 470
PFR 4000 117 1500 960
технико-экопомических характеристик ЯЭУ как при создании,
так и при эксплуатации наиболее полно достигается также
укрупнением основного оборудования. Особенностью тракта
циркуляции первого контура ЯЭУ является соотношение гидрав-
лических потерь в петлях и на общем участке (активной зоне
реактора). Практика показывает, что около 85 90% гидравли-
ческих потерь приходится на реактор (общий участок). В связи
с этим к ГЦН предъявляется требование отсутствия ниспадаю-
щей ветви характеристики // — Q (dH/dQ>0) и достаточно
большой крутизны характеристики в рабочей области подач
(\dH/dQ\> 0). Из рис. 1.8 видно, что при пологой характе-
ристике Н — Q параллельная работа ГЦН на коллектор, роль
которого играет активная зона реактора, может приводить к
большому разбросу расходов по петлям из-за неизбежной не-
идентичности характеристик насосов и i идравлического сопро-
тивления петель. Очевидно, что чем круче гидравлическая ха-
Н
Н нам
Рис. I К Схема параллельной работы
насосов на сеть
/ — характеристика сети 2 — фактическая
суммарная характеристика двух ГЦН;
3, 5 фактические характеристики от-
дельных ГЦН 7—теоретическая .характе-
ристика ГЦН //ио»—номинальное сопро-
тивление сети; Qnrfui общий расход сети
18
рактеристика в рабочей области, тем меньше разброс в расходах
по петлям. Наличие ниспадающей ветви в характеристике
Н___q При параллельной работе насосов на общее сопротив-
ление при некоторых условиях может приводить к неустойчивой
работе колебанию подачи ГЦН, что, конечно, недопустимо
Несмотря на это, требование к виду характеристики нельзя
рассматривать как совершенно обязательное Дело в том, что
упомянутых выше последствий его невыполнения можно избе-
жать либо за счет, например, повышенных требований к качеств'
изготовления насосов в целях обеспечения необходимой идеи
тичности их । идравличсских характеристик, либо за счет искус
ственного увеличения сопротивления петель
При решении вопроса о выборе конструкционных материалов
для ГЦН кроме общих машиностроительных нормативов необ-
ходимо учитывать и тот факт, что материалы проточной
части и других элементов, контактирующих с теплоносителем,
должны отвечать всем требованиям, предъявляемым к мате-
риалам первого контура ЯЭУ с данным теплоносителем. В ча-
стности, они нс должны взаимодействовать с теплоносителем
в рабочем интервале температур, должны допхекать проведение
дезактивации кислотными и щелочными растворами, а также
контакты с органическими растворителями и поверхностно-
активными и комплексообразующими веществами Материалы
проточной части должны быть не только коррозионно-стойкими,
но и устойчивыми против эрозии при максимально возможных
Рис. 1.9 Эрозионное разрушение н рабочем колесе
19
Рис. I.К). Эрозионное разрушение в направляющем аппарате *
Рис. Ill, Кавитационное разрушение на входе в рабочее колесо на одном из
насосов ИНН 3 реактора БН-350-
1 — канитаиня в разгрузочных отверстиях; '2 кяни'гацня у основания лопаток рабочею
колеса
20
скоростях теплоносителя На рис. 1.9, 1.10 можно видеть эрози-
онные разрушения в рабочем колесе и направляющем аппарате
натриевого насоса после 3300 ч работы [1|. Аналогичные по-
вреждения возможны и при кавитации (рис. 1.11). Для преду-
преждения эрозионно-кавитационных повреждений элементов
проточной части стремятся использовать металл с повышенной
твердостью или применяют соответствующие наплавки. Это,
конечно, не исключает необходимости гидродина шчсской опти-
мизации проточной части в целях предупреждения локальных
эрозионных и кавитационных процессов. Опасность кавитации
наиболее реальна для натриевых ГЦН из-за низкого давления
в контуре Практически именно надкавитационный подпор и
определяет избыточное давление в реакторах на быстрых нейт-
ронах.
Ресурсная надежность ГЦН в значительной степени опреде-
ляется работоспособностью подшипниковых опор. Для обеспе-
чения нормальной работы ГЦН необходимо, чтобы подшипник
обладал следующими свойствами;
имел минимальный износ рабочих поверхностей в течение
заданного ресурса (с учетом числа плановых пусков и остано-
вок) ;
допускал работу при переменной частоте вращения вала;
допускал реверс, если он не исключен схемными или конст-
рукционными решениями;
расходовал минимальное количество смазочно-охлаждающей
или вывешивающей (для гидростатических подшипников) жид-
кости,
допускал ремонт при минимальных затратах труда и вре-
мени
Особо следует оговорить требование исключения попада-
ния смазывающих и охлаждающих жидкостей (и даже их паров
в случае реакторов с натриевым теплоносителем) в основной
контур циркуляции, вытекающее из условия сохранения рабо-
тоспособности активной зоны.
Конструкция ГЦН должна гарантировать отсутствие проте-
чек наружу радиоактивного теплоносителя и газа из системы
подлавливания (поскольку газ также «загрязнен»). Поэтому
особое внимание уделяют неподвижным соединениям, напри-
мер между выемной частью ГЦН и ею баком (корпусом), и
уплотнению вращающеюся вала. В первом случае задача реша-
ется достаточно просто, поскольку в машиностроении известно
большое разнообразие надежных прокладочных и беспрокла-
дочных соединении Более сложно и конструкционно, и техно-
логически решается задача уплотнения вращающегося вала
(см. гл. 3). Заметим, что уплотнения вала натриевых насосов
должны допускать вакуумирование рабочей полости ГЦН.
Насосы должны допускать полный дренаж теплоносителя
21
(свободным сливом или выдавливанием газом). Для этого в
заполняемой теплоносителем части насоса необходимо исключать
«карманы», в которых мог бы остаться теплоноситель, шлам и
другие плотные отложения. Важность этого требования обуслов-
ливается тем, что даже следы радиоактивного теплоносителя
на оборудовании требуют достаточно громоздких защитных
устройств при проведении ремонтных работ, а наличие полостей
с плохо удаляемым теплоносителем хсложняет процесс дезакти-
вации.
Механический насос при наличии неуравновешенных вра-
щающихся масс, гидравлических сил в проточной части, из-за
расцентровки валов насоса и электродвигателя и т. п. может
стать источником вибрации Поэтому при проектировании долж-
ны предусматриваться меры, обеспечивающие приемлемое коле-
бание насосною агрегата по частоте и амплитуде. Для машин
подобного класса вибрация считается допустимой при двойной
амплитуде смещения 100 мкм в области верхнего подшипника
электродвигателя Фактически на отечественных насосах реак-
торов ВВЭР, РБМК и БН она составляет 40—60 мкм. Этому
в большой степени способствуют повышенные требования, предъ-
являемые к фундаменту (опорной плите) Допускаемая ампли-
туда колебаний насоса от деформаций опорной плиты опреде-
ляется согласно соответствующим нормам. Например, для на-
сосов реактора РБМК амплитуда колебаний перекрытия около
фундаментных шпилек составляет 10—20 мкм.
В настоящее время ГЦН в целом не обеспечивает ресурса
на все время работы АЭС (30—40 лет). Поэтому при разработке
конструкции предусматривается замена отдельных сборок, уз-
лов, элементов При этом важно правильно оценить и учесть
те конкретные условия, в которых будет проводиться эта замена
Только в этом случае можно обеспечить и оптимальную техно-
логию работ по замене, и разработку соответствующей осна-
стки.
Требуемый ресурс ГЦН закладывается на стадии проекти-
рования Контрольная проверка при этом осуществляется в три
этапа
Первый этап—предварительная сравнительная оценка на-
дежности различных вариантов конструкции, в результате кото-
рой из них выбирается оптимальный.
Второй этап — анализ надежности оптимального варианта
конструкции. Если надежность ее соответствует заданным требо-
ваниям, то можно начинать изготовление опытного образца,
если же нет — надо искать пути повышения надежности до тре-
буемого уровня. Тщательный и добросовестный контроль на
первом и втором этапах позволяет добиться значительного повы-
шения надежности до начала изготовления.
На третьем этапе проводятся испытания опытных образцов -
22
данные сопоставляются с результатами анализа. При необходи-
мости в чертежно-техническую документацию вносятся измене-
ния, повышающие надежность конструкции.
Следовательно, если первые два этапа показывают, что про-
ектирование идет правильно, третий этап обычно подтверждает
это. Проверка надежности на всех трех этапах исключает воз-
можность выпуска некачественных I ЦН, заблаговременно вы-
являет дефекты конструкции, которые могут проявиться при
эксплуатации и повлиять на ресурс.
Насосы, предназначенные для работы с жидкометалличе-
скими теплоносителями, кроме перечисленных выше проектных
требований должны отвечать ряду специфических требований.
Все элементы насоса, контактирующие при работе с теплоноси-
телем, должны прогреваться перед заполнением циркуляцион-
ного контура. Если прогрев в составе установки не обеспечи-
вается, то необходимо предусмотреть греющие устройства. Од-
i им из специфических требований является защищенность кон-
струкции от вредного влияния паров металла, которые, прони-
кая в мельчайшие зазоры, оседают на холодных стенках и,
в принципе, могут затруднять работу соответствующих узлов
ГЦН и его вспомогательных систем. Для предотвращения этого
крайне неприятного явления необходимо либо защищать соот-
ветствующие элементы, либо повышать температуру их поверх-
ностей, чтобы исключить оседание паров теплоносителя
Технологические требования. Конструкция насоса должна
отвечать целому ряду технологических требований. Без их со-
блюдения не может быть гарантировано качество изготовления,
а следовательно, ресурсные и другие характеристики ГЦН. Раз-
личают две группы требовании Одну из них составляют требо-
вания, определяющие рациональность принятых конструкцион-
ных решений в отношении технологичности, а именно:
рациональный выбор материала;
выбор простейших геометрических форм деталей;
оптимальный выбор баз, системы простановки размеров их
предельных отклонений, допусков формы и расположения по-
верхностей и шероховатости поверхности деталей;
унификация элементов конструкции узлов, их материала;
простота сборочно-компоновочной схемы,
возможность наиболее полной дезактивации всех поверхно-
стей насоса,
обеспечение контроля чистоты внутренних полостей насоса
при его изготовлении и монтаже.
Несоблюдение последнего требования может приводить к
тяжелейшим последствиям, вплоть до полного вывода из строя
ГЦН при заклинивании вала в результате попадания посто-
ронних предметов (сварочного грата, остатков электродов
и т. п.)_
23
Это требование в равной степени относится и к качеств}
монтажных работ обслуживающих ГЦН систем. Монтаж должен
вестись по заранее разработанной технологии, увязанной с тех-
нологией монтажа реакторной установки в целом. Немаловаж-
ное значение имеет достаточная подготовленность помещении к
монтажу (чистота, освещенность и т. и.). За качеством монтажа
должен осуществляться непрерывный контроль представителями
авторского надзора и инженерно-техническими специалистами
строящейся АЭС. Такой комплекс мероприятий гарантирует
не только высокое качество монтажа и чистоту контура, но и
обеспечивает успешное завершение последующих мероприятий
по вводу ГЦН в эксплуатацию.
Вторую группу составляют требования, относящиеся к основ-
ным показателям технологичности;
трудоемкость изготовления изделия, и в первую очередь в
сравнении с имеющимися прототипами;
преемственность конструкционно-технологических решений;
технологическая себестоимость изделия;
технические и технико-экономические показатели
Следует учитывать, что анализ не может быть абстрактным
Разрабатываемый проект ГЦН обычно ориентируется на вполне
определенный завод-изготовитель, на его производственные воз-
можности, которые таким образом оказывают существенное
влияние на решение вопроса о технологичности конструкции.
Эксплуатационные требования. Основным эксплуатацион-
ным требованием, предъявляемым к ГЦН, является высокая
ресурсная надежность
Надежность ГЦН проверяется окончательно при функцио-
нировании АЭС. Этому ответственному моменту предшествуют
пусконаладочные работы, холодное опробование каждого насо-
са в отдельности и всех вместе и затем их горячая обкатка.
В этот период выявляются возможные недочеты в конструкции
или не предусмотренные при проектировании режимы. Как и
все оборудование, расположенное в необслуживаемой при работе
реактора зоне, ГЦН должны надежно и устойчиво работать
при параметрах окружающей среды, характерных для мест их
расположения, без всякого вмешательства обслуживающего пер-
сонала в течение длительного времени, равного, по меньшей
мере, периоду между плановыми остановками реактора Это
требование предопределяет наличие минимально необходимого
дистанционною контроля за эксплуатационными параметрами,
достаточно полно характеризующими режим работы насосного
агрегата (напор, подача, частота вращения, температура под-
шипниковых опор и уплотнений, наличие смазки и т и.). Радио-
активность теплоносителя, поверхностные загрязнения внут-
ренних поверхностей активными продуктами коррозии, разме-
щение в защитных боксах практически исключают возможность
24
ремонта насосных агрегатов с заходом персонала в помещение.
В этом случае потребовалось бы недопустимо много времени и
средств для ликвидации любой более или менее серьезной неис-
правности, так как определяющей операцией была бы дорого-
стоящая дезактивация контура. В связи с этим к конструкции
ГЦН предъявляется требование обеспечения замены элементов
проточной части и отдельных узлов ходовой части без резки
циркуляционных трубопроводов с минимальным временем на-
хождения ремонтного персонала вблизи ремонтируемого насоса.
Фактическая наработка на отказ ГЦН в настоящее время
существенно превышает 20 000 ч, обычно предусматриваемых
техническим заданием. Так, наработка ГЦН реактора БН-350
превышает 70 000 ч, реакторов ВВЭР-440—60 000 ч, реакторов
типа РБМК — 65 000 ч. Технически обоснованный срок работы
корпусных конструкций ГЦН должен совпадать со сроком «жиз-
ни» АЭС. Желательно проектировать ГЦН так, чтобы замена
отдельных узлов могла проводиться силами эксплуатационного
персонала в период планово-предупредительных ремонтов
(ППР). Следует иметь в виду, что любая непредусмотренная
остановка насоса, вызывающая либо снижение мощности АЭС,
либо остановку реактора, обходится весьма дорого. Согласно
[2], потери от простоя ЯЭУ электрической мощностью 1000 МВт
составляет ежесуточно 75 000 долл. Если учесть тенденцию роста
мощности реакторов АЭС, то следует в дальнейшем ожидать
только увеличения ущерба от незапланированных остановок
ГЦН.
Таким образом, ремонтопригодность ГЦН как основная со-
ставляющая надежности входит в число его главных эксплу-
атационных показателей. Хорошая ремонтопригодность насос-
ного агрегата и оптимизация регламента ППР позволяют сокра-
тить время на его обслуживание. Следовательно, очень важно
при проектировании ГЦН достаточно полно и точно учесть все
особенности работы ГЦН, которые могут иметь место при экс-
плуатации и отражаться на сроках проведения ППР. К ним
следует отнести диапазоны и скорости изменения температуры
и давления, частоту и количество этих изменений за период
эксплуатации, температурные перемещения примыкающих кон-
струкций, требования по сейсмостойкости и т. п.
Стабильная работа насосных агрегатов в большой степени
зависит от надежности обслуживающих (вспомогательных)
систем. Наиболее привлекательным решением было бы исклю-
чение вспомогательных систем, однако это нереально. Поэтому
необходимо стремиться к тому, чтобы число их было минималь-
ным, а при конструкционном оформлении исходить из сообра-
жений максимальной надежности этих систем, уменьшения
числа входящих в них узлов и деталей, компактности компо-
новки, удобства обслуживания.
25
Очевидно, первоочередной следует считать задачу сведения
к минимуму числа незапланированных остановок насоса Такие
отключения ГЦН могут происходить по ложным сигналам авто-
матической системы защиты реактора (СУЗ) и защиты самого
насоса. Основной причиной появления этих сигналов является
неисправность первичных датчиков, что свидетельствует о необ-
ходимости максимального сокращения контрольно-измеритель-
ной аппаратуры, устанавливаемой на насосе и обслуживающих
его системах, применения надежных первичных датчиков, вы-
полнения схем аварийного отключения и блокировок, не приво-
дящих к остановке насосов по ложному сигналу (применение
схем сравнения и др.).
Привод ГЦН должен обеспечивать возможность либо сту-
пенчатого, либо плавного изменения частоты вращения вала
В качестве привода обычно используются асинхронные элект-
родвигатели переменного тока негерметичною исполнения. При
этом плавное регулирование частоты вращения может быть
осуществлено с помощью частотного регулирования или другими
более сложными способами (например, при использовании «фаз-
ного» ротора в насосах реактора БН-600 или гидромуфты в
насосах реактора PFR). Ступенчатое регулирование может до-
стигаться либо изменением числа пар полюсов, либо благодаря
наличию второй обмотки статора (две ступени частоты враще-
ния).
В ряде случаев (особенно для реакторов БН) требуется за-
медление падения частоты вращения ГЦН (а следовательно,
и циркуляции теплоносителя) при обесточивании их привода.
Поскольку выбег насоса определяется моментом инерции вра-
щающихся час।ей, то в этом случае он искусственно увеличи-
вается путем навешивания на вал дополнительных масс
В насосах для жидкого металла схема маслохозяйства и
приборы контроля уровней масла должны позволять персоналу
АЭС вести строгий учет его количества в маслосистеме
Имеются и другие требования, перечисление которых нецеле-
сообразно, так как выполнение их специально оговаривается
в техническом задании на разработку ГЦН с учетом особенно-
стей первого контура АЭС (например, необходимость антире-
всрсивного устройства, ремонтного уплотнения и т. п.). Отметим
только, что ГЦН независимо от типа и назначения являются
уникальными изделиями, создание которых в каждом случае
требует разработки своих всеобъемлющих технических усло-
вии, а их конструкция в обязательном порядке должна соот-
ветствовать общим требованиям, предъявляемым к оборудо-
ванию АЭС [3].
Глава 2
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СХЕМЫ
НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
2.1. ГЕРМЕТИЧНЫЕ ВОДЯНЫЕ НАСОСЫ
В водо-водяных реакторах первых АЭС в основном исполь-
зовались центробежные циркуляционные электронасосы Рабо-
чие органы этих насосов и электродвигателей размещались в
общем герметичном корпусе. По условиям компоновки и удоб-
ства проведения монтажно-демонтажных работ распространение
получили герметичные электронасосы вертикального исполнения.
Герметичные электронасосы можно разделить на три класса
[11*.
с герметичной статорной полостью (с «сухим» статором);
с «мокрым» статором;
с газовой подушкой.
В электронасосах с герметичной статорной полостью (рис.
21) тонкостенная металлическая немагнитная цилиндрическая
перегородка 7 разделяет статорную и роторную полости асин-
хронного электродвигателя, поэтому статор двигателя защищен
от попадания в него перекачиваемого теплоносителя и нахо-
дится в среде атмосферного воздуха или инертного газа. Ротор
же вращается в подшипниках 3 и 5, смазываемых и охлажда-
емых тем же теплоносителем. Достоинства таких насосов сле-
дующие [2]:
обеспечивается герметичность по отношению к внешней
среде и полная взрыво- и пожаробезопасность;
возможно применение из-за наличия герметичной перегород-
ки обычных материалов для статора (трансформаторное железо,
изоляционные материалы и др );
в случае автономного питания подшипников электронасосу
не опасны твердые частицы и другие инородные включения,
которые могут присутствовать в теплоносителе,
усилия на осевой подшипник не изменяются при изменении
давления на всасывании.
Надежность электронасосов с «сухим» статором опреде-
ляется надежностью перегородки, условия работы которой до-
вольно сложны. Неправильно выбранные размеры перегородки
при колебаниях температуры и давлении могут привести к изме-
нению формы и образованию продольных или поперечных гофр
и в конечном итоге к выходу насоса из строя. Кроме того, они
* Известны также электронасосы с электромагнитной муфтой, но мощность их
нс превышает 20 кВт. что не позволяет реализовать этн проекты в ЯЭУ
27
Вход
перекачиВаемой
жидкости
Рис. 2 1 Схема герметичного электро-
насоса с герметичной статорной по-
лостью
/ — всасывающий патрубок, 2 — рабочее
колесо; 3. 5 радиальные подшипники
4 — статор электродвигателя. 6 осевой
подшипник, 7,8 — экранирующая перего
родка статора и ротора соответственно;
9, 10 — системы охлаждения; II — на-
порный патрубок
8X00 I
перекачиваемой жидкости
г
з
4
Рис 2.2 Схема герметичного насоса с мокрым низковольтным двигателем и
понижающим трансформатором:
/ — короткозамыкающее кольцо стержневой обмотки статора электродвигателя, 2
стержень обмотки статора электродвигателя; 3 подшипники, 4 - обмотка статора
преобразователя; 5 - стержень обмотки вторичной стороны преобразователя 6 —
короткозамыкаюшес кольцо стержневой обмотки вторичной стороны преобразователя
7 — э.тектроввод статора преобразователя; 8— статор преобразователя; 9— вторичная
сторона статора преобразователя; 10—уплотнение стержней; II — статор элсктродви
гателя; 12 — ротор с короткозамкнутой обмоткой
имеют сравнительно низкии КПД (около 60%) из-за большого
радиального зазора между статором и ротором, электрических
потерь в рубашке и потерь на трение ротора о жидкость.
В электронасосах с «мокрым» статором герметичная цилин-
дрическая перегородка отсутствует, а перекачиваемый теплоно-
ситель заполняет всю внутреннюю полость электродвигателя, в
том числе и статорную. Железо ротора и статора, а также
обмотка статора должны иметь водостойкую изоляцию, спо-
собную сохранять свои свойства под воздействием изменяющих-
ся условий работы, а также в случае загрязнения обмотки
радиоактивными продуктами деления. Наружный корпус двига-
28
теля и электровводы — прочно плотные, рассчитанные на рабо-
чее давление. КПД двигателя с мокрым статором на 5—10%
выше, чем двигателя с сухим статором [3]
Известна и другая схема электронаноса этого типа — с
понижающим трансформатором (преобразователь фаз и напря-
жения) в едином блоке с асинхронным низковольтным электро-
двигателем и гидравлической частью насоса (рис. 2.2). В этом
случае обмотка статора // питается пониженным напряжением
трансформатора, обычно располагаемого над статором и не
имеющего высоковольтной изоляции Статор находится в воде
в тех же условиях, что и ротор, который вместе с расположен-
ным па его валу рабочим колесом вращается в подшипниках,
смазываемых перекачиваемым теплоносителем. Такая схема
отличается от предыдущей тем, что малое напряжение, пода-
ваемое на обмотку статора электродвигателя от трансформа-
тора, допускает рабогу обмотки статора без изоляции. В срав
нении с электронасосом с сухим статором этот электронасос
также имеет более высокий КПД и большую надежность из-за
отсутствия статорной перегородки. Обмотка трансформатора
вынесена в атмосферу и, естественно, выполняется по обычной
технологии, а это значит, что она не загрязняется продуктами
радиоактивного распада и доступна для контроля и ремонта.
Такие электронасосы широкого распространения не получили
из-за сравнительно больших габаритных размеров (трансфор-
матор расположен над электродвигателем) и необходимости раз-
работки высоконадежной конструкции уплотнения стержней
(обмотки) статора собственно электродвигателя, что является
сложной технической задачей [3] *.
В зависимости от условии компоновки двигатель в «ерме-
тичных электронасосах может размещаться в верхней или ниж-
неи части конструкции Koi да двигатель расположен снизу, в
нем исключаются застойные зоны, где могут выделяться пар и
газ, но возникают неудобства при монтаже и демонтаже. Кроме
того, необходимо предусматривать меры для удаления возмож-
ного скопления различных взвесей из нижней части двигателя.
При размещении двигателя сверху требуется удаление скапли-
вающегося газа из верхней части насоса
На рис 2.3 представлены возможные принципиальные схемы
герметичных электронасосов с газовой подушкой над уровнем
перекачиваемого теплоносителя. Опоры насоса (рис. 2.3, а) вы-
несены в газовую полость, и поэтому используются шариковые
подшипники или подшипники с газовой смазкой’ Газовая по-
душка предохраняет статор и ротор электродвигателя от запол-
нения теплоносителем, но не защищает эту полость от его паров.
* На 11 блоке Нововоронежской АЭС на одной из восьми петель опьиный образец
такого насоса успешно эксплуатируется с 1967 г
29
Рис. 2.3. Схема герметичного электронасоса с газовой подушкой (а), с газовой
подушкой и принудительной циркуляцией газа (о) и с газовой подушкой, при
нудительной циркуляцией газа и подачей жидкое г и к осевому подшипнику (в)
/ 6 всасывающий и напорный патрубок соответственно 2 — рабочее колесо 3 —
уровень теплоносителя; 4— статор электродвигателя. 5 —системы охлаждения 7. 12
патрубки для выхода и входа инертного газа; 8 — биологическая защита. 9 гибкая
диафрагма. 10— осевой подшипник; 11 — ротор. 13, 15 — нижний и верхний радиальный
подшипник соответственно; 14 — уплотнение
что может быть причиной повреждения изоляции обмотки ста-
тора. Если организовать циркуляцию газа из полости электро-
двигателя в полость насоса, можно уменьшить количество про-
никающих паров (рис. 2.3,6). В этом случае нижний радиаль-
ный подшипник 13 газостатического типа служит одновременно
и уплотнением Во всех случаях уровень теплоносителя 3 дол-
жен поддерживаться в определенном диапазоне. Применение
газостатических подшипников исключает радиационное разложе-
ние смазки, а защитный экран предохраняет персонал от иони-
зирующего воздействия среды. Создать работоспособный осе-
вой подшипник на газовой смазке из-за наличия в электрона-
сосах значительных осевых сил технически трудно, поэтому он
может быть выполнен гидростатическим или гидродинамическим
с собственной системой смазки (например, масляной) (рис.
2.3,6), и тогда верхний радиальный подшипник 15 также будет
являться своего рода уплотнением, препятствующим диффузии
паров этой смазки в полость электродвигателя.
КПД герметичных электронасосов с газовой подушкой не-
сколько выше, чем при использовании конструкции с мокрым
статором, за счет уменьшения потерь на дисковое трение. Основ-
ной недостаток таких электронасосов — сложность поддержания
зо
Рис. 2 4 Схема герметичного осевого
насоса, встроенного в корпус реактора:
/ осевом подшипник; 2. 5 нижний н верх-
ний радиальный подшипник соответственно;
.? — ротор, 7 — статор; 6 корпус реактора;
7 спрямляющий аппарат; 8 рабочее
колесо
уровня, так как необходимо сле-
дить за давлением в i азовой поло-
сти и поддерживать его при изме-
нении режима, что требует введе-
ния автоматической системы и,
естественно, усложняет обслужи-
вание насоса.
Электронасосы с герметичной
статорной перегородкой в отноше-
нии конструкции наиболее прием-
лемы, по сложны в изготовлении и
имеют высокую стоимость Хотя
дпительпый опыт использования
герметичных ГЦН показал их вы-
сокую надежность, считается, что
их экономически нецелесообразно
использовать для мощных стацио-
нарных ЯЭУ Не исключено, од-
нако, что при некоторых компо-
новочных решениях и дальнейшем
совершенствовании конструкции
герметичных электронасосов, на-
пример повышении их быстроход-
ности, они могут найти более ши-
рокое применение. На это указы-
вают, в частности, разработки ре-
актора с встроенными в корпус
реактора герметичными осевыми
ГЦН (рис. 2.4) с частотой вращения
3000 и 6000 об/мин [4].
2.2. ВОДЯНЫЕ НАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ С МЕХАНИЧЕСКИМ
УПЛОТНЕНИЕМ ВАЛА
Отличительной особенностью насосных агрегатов такого типа
является наличие механического уплотнения вращающегося
вала, которое в насосах с большой подачей обеспечивает значи-
тельные преимущества по сравнению с герметичными Действи-
тельно, уплотнение вала позволяет использовать для привода
насосов серийные электродвигатели, турбины, гидроприводы,
а также заменять их без разгерметизации первого контура.
31
Все это заметно снижает эксплуатационные расходы и стоимость
ГЦН. Кроме того, существенно (па 10—15%) повышается КПД
мощных насосов, появляется возможность установить на валу
агрегата маховик для обеспечения необходимого выбега при
обесточивании приводного электродвигателя. Конструкционная
схема таких ГЦН позволяет без особых затруднений применить
как жесткое соединение валов насоса и привода, так и связь
их через эластичную (гибкую) муфту, торсион, а при необходи-
мости и через редуктор, электромагнитную и гидравлическую
муфту.
Все насосы этой группы — вертикального исполнения, имеют
герметичный силовой корпус сферической или эллипсоидальной
формы. На корпусе крепится выемная часть насоса, в которой
размещаются вал с уплотнением и подшипниковые опоры. Кор-
пус, в свою очередь, может неподвижно крепиться к фунда-
менту, как, например, у ГЦН на АЭС с реакторами РБМК
(см. рис В 4), или иметь возможность свободно перемещать-
ся под действием тепловых расширений трубопроводов, как это
выполнено на АЭС с реакторами ВВЭР-1000 (см. гл 5)
Насосные агрегаты с жестким соединением валов. По этой
схеме валы насоса и электродвигателя представляют единое
целое, а агрегат имеет три радиальных подшипника, два из
которых находятся в электродвигателе (рис. 2 5) Третий
гидростатический или гидродинамический — расположен в насо-
се и питается водой с напора рабочего колеса или от посто-
ронней системы. Радиальный подшипник 9 предусмотрен для
уменьшения консоли вала вращения. Нормальная работа агре-
гата, выполненного по этой схеме, обеспечивается высокой точ-
ностью изготовления приводной части (по крайней мере, нс ниже,
чем насоса) и допускает незначительную несоосность валов.
Относительно небольшие дисбалансы или несоосности могут
вызывать вибрацию агрегата Поэтому повышенная точность
сопряжения элементов должна гарантироваться на все время
эксплуатации насоса Как правило, электродвигатель 7 жестко
крепится к корпусу насоса через станину 4 В этом случае
исключается появление несоосности валов в результате разно-
сти температур между горячими нижними элементами насоса
(корпуса, гидравлической части) и холодной верхней частью
(электродвигателем), по у агрегата поднимается центр тяже-
сти, что может отрицательно сказаться на его вибрационной
характеристике. Поскольку межремонтный период насоса опре-
деляется, как правило, ресурсом уплотнения вращающегося
вала, на насосных агрегатах предусматривается специальный
съемный участок вала (проставка), позволяющий проводить ре-
монт или замену уплотнения без демонтажа электродвигателя,
что значительно сокращает время простоя насоса. Специфиче-
ской задачей при такой компоновке является обеспечение со-
32
Рис. 2.5. Схема насосного агрегата с
жестким соединением валов
/ корпус насоса; 2 выемная часть;
3— уплотнение вала. 4— станина элек
тродвнгателя; 5 проставка, 6 — махо-
вик, 7 — электродвигатель; Я — радиаль-
но-осевой подшипник электродвигателя
9 радиальный подшипник насоса
Вход жидкости
Рис. 2 6. Схема насосного агрегата с гибкой соединительной муфтой:
7 — рабочее колесо; 2 тепловой барьер, 3 уплотнение вала. 4 проставка 5 —-
верхний радиально-осевой подшипник 6—электродвигатель; 7—муфта. 8 нижний
радиальный подшипник
хранности центровки валов при извлечении и установке про-
ставки
Двигатель должен быть оснащен соответствующим осевым
подшипником 8, так как вследствие высокого давления в системе
осевые усилия достигают нескольких десятков тонн Стоимость
такого насоса ниже, чем выполненного по любой другой схеме,
но это преимущество утрачивается из-за более высокой стоимо-
33
3-173
сти электродвигателя, обусловленной жесткими допусками,
высокой точностью сборки, большой грузоподъемностью осевого
подшипника Кроме тою, необходимость точного изготовления
валов, их совместной обработки и балансировки создает опре-
деленные трудности при раздельном изготовлении ГЦН и элек-
тродвигателя.
Насосные агрегаты с гибкой муфтой. Arpei ат имеет два
независимых узла: насос и электродвигатель, каждый из кото-
рых содержит по два раздельных подшипника и по одному осе-
вому. Такая конструкционная схема принята для всех отечест-
венных и для большинства зарубежных ГЦН. Нежесткое со-
единение валов насоса привода позволяет широко использовать
обычные стандартные двигатели, поскольку на их вал осевое
усилие от насоса не передается. Насос на собственных опорах
предпочтительнее еще и потому, что допускает вести обработку
валов насоса и привода независимо друг от друга. Электро-
двшатель можно заменить или отремонтировать, не извлекая
насос из контура и не нарушая герметичности последнего, а так-
же поставлять на объект раздельно с насосом. Насосные агре-
гаты этой группы могут иметь несколько исполнений По пер-
вой схеме (рис 2.6) вал насоса вращается в двух подшипни-
ках, а рабочее колесо / располагается консольно относительно
нижнего радиального подшипника 8, работающего на водяной
смазке. Верхний радиально-осевои подшипник 5 компонуется
ниже соединительной гибкой муфты 7 и имеет автономную си-
стему смазки. Гибкая муфта допускает несоосность валов при-
мерно 0,05 мм и излом до 0,1 мм на 1 м. По второй схеме (рис
2.7) в целях ликвидации консоли нижний радиальный подшип-
ник / размещается перед рабочим колесом 2, а вместо муфты
применен торсион 5 Использование торсиона или зубчатой муф-
ты с промежуточным валом 5 (рис 2 8) дает возможность иметь
значительно большую несоосность валов насоса и электродви-
гателя (до нескольких десятых миллиметра), что позволяет
установить станину 8 электродвигателя на фундаментной плите
и тем самым повысить жесткость крепления агрегата.
Нижний радиальный подшипник (рис. 2.7) может быть гид-
ростатическим, питаемым с напора рабочего колеса насоса или
от специальной внешней системы. Гидростатический подшипник,
питаемый с напора насоса, обеспечивает надежную работу, но
снижает объемный КПД Практика показывает, что пуски и
остановки для такого гидростатического подшипника не опасны,
если использовать подходящие материалы для несущих поверх-
ностей (например, сталь 20X13 с термообработкой рабочих по-
верхностей до HRC3 = 42 4-49). Гораздо опаснее для гидро-
статического подшипника переходные режимы (особенно в пус-
коналадочный период), связанные с изменением давления в кон-
туре циркуляции и возможным вскипанием воды в корпусе
34
• Вход жидкости
Рис 2-7. Схема насосного агрегата с торсионом:
I — нижний радиальный подшипник 2 — рабочее колесо; 3 — уплотнение вала; 4
верхний радиально-осевой подшипник; ,5 — торсион; 6 — маховик; 7 — электродвига-
тель; 8 — станина электродвигателя 9 фундаментная плита
Рис 2 8 Схема насосного агрегата на гидродинамических масляных подшип
никах.
I — корпус насоса; 2 — рабочее колесо; —уплотнение вала; 4—верхний радиаль-
но-осевой подшипник; 5 — зубчатая муфта с промежуточным валом 6 — электродви-
гатель; 7 — нижиий радиальный подшипник; 8 — станина электродвигателя 9 — фунда-
ментная плита
ГЦН В первую очередь это относится к АЭС с кипящими
реакторами. Для таких реакторов внешний контур питания гид-
ростатического подшипника следует считать обязательным.
Нижний радиальный подшипник (а в некоторых схемах и верх-
ний) может быть гидродинамическим Для этого типа подшип-
ника очень остро стоит проблема износостойких .материалов,
работающих при температуре теплоносителя 270—300 С и
35
Рис. 2.9 Схема насосного агрегата на гидродинамических водяных подшип
никах
1 корпус насоса. 2 рабочее колесо; 3 тепловой барьер; 7 колесо автономного
контура, 5 — холодильник автономною контура; 6 осевой подшипник, 7— уплотнение
вала, 8— муфта; 9 -электродвигатель; 10— маховик, II. /2 — верхний и нижний
гидродинамический подшипник соответственно
Рис. 2 10. Схема насосного агрегата с контролируемыми утечками, встроенного
в корпус реактора:
/-радиально-осевой подшипник; 2—уплотнение вала; 3 корпус реактора, I
спрямляющий аппарат, 5 — рабочее колесо; б — радиальный подшипник; 7 — электро-
двигатель
значительных удельных нагрузках. В целях облегчения условий
работы подшипника в схему ГЦН вводится дополнительный
контур охлаждения Схема одного из возможных вариантов
питания гидродинамических подшипников охлажденной контур-
36
ной водой показана на рис. 2 9 С напора колеса 4 автоном-
ного контура охлаждения вода проходит через специальный
змеевиковый холодильник 5 и попадает в полость осевого под-
шипника 6. Далее по специальным каналам вода поступает
в верхний 11 и нижний 12 гидродинамические подшипники и
сливается па всасывание рабочего колеса автономного контура.
Питание гидродинамических подшипников может осущест-
вляться и водой от постороннего источника.
Упростить конструкционную схему насоса и повысить надеж-
ность агрегата можно за счет применения достаточно прове-
ренных подшипниковых узлов на минеральной смазке (рис. 2 8).
Вал насоса по этой схеме вращается в двух гидродинамиче-
ских подшипниках 4 и 7 на масляной смазке.
Во всех рассмотренных случаях между корпусом насоса и
уплотнением размещена тепловая защита, предохраняющая
уплотнение от воздействия высокой температуры теплоноси-
теля.
На рис. 2.10 представлен возможный вариант использования
осевого ГЦН с контролируемыми утечками, встроенного в кор-
пус реактора. Хотя на АЭС осевые насосы и нс получили широ-
кого распространения, следует иметь в виду, что в «плотных»
компоновках обращение к ним вполне оправдано вследствие
уменьшения габаритных размеров проточной части насоса при
увеличении частоты вращения его ротора
2.3. ВОДЯНЫЕ ВСТРОЕННЫЕ ПАРОТУРБОНАСОСЫ
Достоинства турбонасосов (рис 2 11) —небольшие габарит-
ные размеры привода и отсутствие каких-либо вспомогатель-
ных контуров, поскольку при использовании в кипящих реакто-
рах они могут устанавливаться непосредственно внутри сепара-
тора насыщенного пара. Основными узлами турбонасоса явля-
ются рабочее колесо 1 насоса, приводная турбина 6 и подшип-
никовые узлы 2, 9 и 10. В качестве подшипниковых опор в тур-
бонасосе применяются гидростатические или гидродинамические
подшипники, работающие на перекачиваемой среде. Особенно-
стью такого насоса является возможность работы в широком
диапазоне частот вращения ротора (например, от 1000 до
8000 об/мин), при поддержании подачи, оптимальной для дан-
ного режима работы ЯЭУ. Однако обеспечение устойчивой ра-
боты во всем диапазоне частот вращения накладывает дополни-
тельные требования на конструкцию В частности, большое зна-
чение имеет правильный подбор материалов нар трения подшип-
ников и в особенности пусковой пяты, так как последняя ра-
ботает в горячей воде (290° С) и при окружных скоростях до
100 м/с. Конструкция насоса должна быть рассчитана на крат-
ковременное увеличение частоты вращения выше номинальной
37
Рис. 2.11. Схема наротхрбонасоса,
встроенною в барабан-сепаратор
/ рабочее колесо 2 9 — радиальные
подшинники. 3 — вал. 4 — корпус, 5 -
уровень теплоносителя; 6 — рабочее коле-
со турбины, 7 — корпус барабан-сепарато-
ра, 8—отводная горловина, 10—осевой
подшипник
с сохранением работоспособности.
К недостаткам турбонасосов следует отнести:
невозможность ремонта без отключения сепаратора;
сложность защиты от возможных разгонов при падении на-
грузки,
уменьшенный располагаемый кавитационный запас в аварий-
ных режимах, связанных с прекращением подачи «холодной»
воды питательными насосами;
сложность обеспечения устойчивой параллельной работы на-
сосов с нежестко фиксированной частотой вращения;
невозможность обеспечения принудительной циркуляции че-
рез реактор в беспаровых режимах (промывка, пуск и оста-
новка блока).
2.4. НАСОСЫ ДЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
В созданных и проектируемых ЯЭУ с жидкометалличе-
ским теплоносителем (натрием, сплавом натрий калии) в
основных контурах применяются насосы двух типов: механиче-
ские (рис. 2 12) и электромагнитные (ЭМН) У механических
насосов вал выводится к приводу через специальное уплотнение,
которое должно обеспечивать вакуумирование насоса в составе
ЯЭУ перед заполнением теплоносителем и надежно удерживать
нейтральный 1аз (азот, аргон) под избыточным давлением
0,01—0,3 МПа при работе. У таких насосов в качестве привода
могут использоваться электродвигатели серийного исполнения
38
Рис. 2.12 Схема погружного за-
глубленного насоса для жидкого
металла
/ - напорный коллектор. 2 — рабочее
колесо, 3 нижний гидростатический
подшипник, / — холодильник вала.
5 _ стояночное уплотнение; 6 — уплот-
нение вала; 7 — верхний радиально-
осевой подшипник. 8 — муфта; 9 —
электродвигатель;
уровень
уровень
уровень, 13 -
уровень ।.
JLLA
J
2
Вход
жидкости
10
11
12
13
14
вала;
подшипник. 8 — муфта;
К) — максимальный
(насос остановлен); II—
заполнения. 12 рабочий
минимально возможный
при работе. 14 бак насоса
Выход жидкости.
Рис. 2.13. Схема электромагнитною насоса:
I — внутренний сердечник, 2 — защитная перегородка. 3 - обмотка; 4 - магннтопровод.
5 — обтекатель сердечника; 6 диффузор
39
или турборедукторы Перед уплотнением вращающегося вала
устанавливается ремонтное уплотнение, позволяющее гермети-
зировать рабочую полость при остановленном насосе, когда не-
обходимо заменить уплотнение вращающегося вала С элект
роприводом вал насоса соединяется аналогично водяным I ЦН
[5, 6].
В принципе, можно выполнить насос без торцового уплотнения по схеме
с герметичным электрод игателем (рис 2 3). Но при этом возникают довольно
сложные проблемы защиты двигателя от попадания паров теплоносителя,
усложняется конструкция электродвигателя, затрудняется его охлаждение, до-
пускается применение только асинхронных двигателей (без коллекторов и ще-
ток) Поэтому конструкция насоса с уплотнением вращающегося вала пред-
ставляется более рациональной.
Явление взаимодействия токопроводника (каковым в этом случае явля-
ется жидкий металл) с магнитным полем положено в основу принципа дей-
ствия ЭМН (рис. 2.13) По сравнению с механическими насосами ЭМН при-
влекательны простотой устройства, отсутствием вращающихся частей, что по
зволяст обеспечить герметизацию циркуляционного тракта без применения
каких-либо уплотнений В СССР электромагнитные насосы разработаны и
успешно эксплуатируются на реакторах БР-10 (подача 140 мэ/ч), БОР 60 (по-
дача 700 м /ч) И все же создание крупных электромагнитных насосов для
АЭС не вышло из стадии экспериментирования прежде всего из-за низкого
КПД и сложности решения задачи съема остаточного тепловыделения в реак
торе при обесточивании установки, так как отсутствует выбег насоса. Весьма
сложным в этих насосах является создание надежной обмотки статора из за
высоких температур Однако не исключено, что по мере дальнейшего развития
теории и опыта проектирования электромагнитных насосов они могут составить
конкуренцию механическим насосам и в качестве главных циркуляторов [7. 8]
Экономическая эффективность использования ЭМН вместо механических насо-
сов для АЭС может быть весьма значительной.
Компоновка оборудования первого контура оказывает реша-
ющее влияние на выбор типа жидкометаллического насоса. На
рис. 2 14 условно показано размещение компонентов первого
контура применительно к петлевому и баковому (интегральному)
вариантам компоновок При петлевой компоновке насос 3 и теп-
лообменник 2 соединяются трубопроводами первого контура и
располагаются в специальном боксе, который примыкает к шахте
реактора Баковый принцип компоновки предусматривает разме-
щение всех элементов контура (реактора, теплообменников, на-
сосов и др ) в одном общем баке /, заполненном натрием.
Все насосы для жидкого металла вертикальные, что вызвано
необходимостью надежно уплотнить вал, проходящий через кор-
пус для соединения с приводом Уплотнение в этом случае удер-
живает инертный газ, находящийся над уровнем теплоносителя
Такие уплотнения созданы и вполне эффективно обеспечивают
полную герметизацию контура.
40
Рис 2 14. Петлевой (а) и баковый (6) варианты компоновок ЯЭУ с жидко
мета 1лическим теплоносителем
/ — бак; 2 — теплообменник. 3 насос; 1 реактор
расположение расположение расположение расположение
насоса насоса . насоса насоса
на холодной ветке на горячей ветке на холодной ветке на горячей ветке
Рис. 2.15. Схема расположения в контуре насосов для жидкого металла в реак
торе с восходящим (о) и с нисходящим (б) потоками
/ — реактор 2— насос. 3— теплообменник; А£г, \£т, А?з — гидравлические потери
напора в трубопроводе от реактора до теплообменника, в теплообменнике и труб
проводе от теплообменника до насоса, в трубопроводе от реактора до насоса соответст
венно; Л расстояние от свободной поверхности в реакторе до входа в рабочее колесо
В первом контуре насос может располагаться до теплообмен-
ника, т. е на горячей ветке, или после теплообменника, т. е на
холодной ветке Оба случая расположения показаны на рис. 2.15
применительно к реактору с восходящим и нисходящим потоками
теплоносителя через активную зону В абсолютном большинстве
установок с натриевым теплоносителем насосы работают на хо-
лодной ветке, и только в реакторах HNPF, FFTF (США) и SNR
(ФРГ) насосы располагаются на горячей ветке. Следует отме-
тить преимущества расположения насоса на холодной ветке [6]:
насос перекачивает теплоноситель при температуре 400 С,
что облегчает условия его работы и упрощает подбор матери-
алов,
отпадает необходимость в организации охлаждающих поясов
вокруг вала, так как сравнительно небольшие тепловые потоки
41
по валу и корпусным элементам конструкции практически не
сказываются на работе верхнего подшипника и уплотнения
вала,
насосы в значительной степени защищены от воздействия
нестационарных термических напряжений благодаря наличию
теплообменника и парогенератора, выполняющих роль демпфера
в переходных и аварийных режимах. Например, для реактора
на быстрых нейтронах БН 600 градиенты температуры в насосе,
перекачивающем натрий, при быстрой остановке реактора оце-
нены следующим образом при расположении насоса на горячей
ветке первый температурный скачок с 550 до 340° С происходит
за 15 с, т. е. со скоростью 8 С/с, а далее с 430 до 360° С темпе-
ратура падает за 150 с (0,47 С/с); при расположении насоса
на холодной ветке за те же 15 с температура падает с 377 до
330° С, т. е. со скоростью всего 3,1° С/с, и далее в течение 150 с
температура остается на уровне 330° С
При расположении насоса па юрячей ветке обеспечивается
максимальное давление на входе в рабочее колесо при мини-
мальном давлении газа в реакторе. В самом деле, в общем виде
превышение давления па входе в рабочее колесо рвс над давле-
нием пара р5 равно:
Рве Ps — р< “F PgA . (2.1)
где рг — давление газовой подушки в системе; р — плотность
натрия, h — расстояние от свободной поверхности в реакторе
(насосе) до входа в рабочее колесо; & и л, — соответственно
коэффициенты местного сопротивления и потерь по длине на
z-x участках всасывающей трассы от реактора до насоса; /, и
di — соответственно длина и диаметр /-го участка всасывающей
трассы. У, — скорость на i-м участке всасывающего трубопро-
вода.
(/ \ ( у2
л, — Jдля краткости обозначим Д^вс,
тогда сумма потерь для расположения насоса на холодной ветке
ХОЛ
£ди=Д£|+ДЫ- Чт,
(2-2)
где — гидравлические потери напора в трубопроводе от реак-
тора до теплообменника; Д$2 — гидравлические потери напора
в трубопроводе от теплообменника до насоса; ДНТ — гидравли-
ческие потери напора в теплообменнике.
Для расположения насоса на горячей ветке
гор
(2.3)
42
где Л^з — гидравлические потери напора в трубопроводе от ре-
актора до насоса.
Сравнивая (2.2) и (2.3) для одинаково погруженных насосов
и при прочих равных параметрах, можно видеть, что потери на
всасывающей трассе при расположении насоса на холодной вет-
ке заметно больше. Соответственно для обеспечения одинако-
вых кавитационных условий давление газа при расположении
насоса на холодной ветке должно быть больше (с учетом раз-
ницы давлений пара металла при расположении на холодной
и горячей ветках). Итак, главным и существенным недостатком
расположения насоса на холодной ветке является необходимость
повышения давления газа в целях предупреждения кавитации.
Однако преимущества размещения насоса на холодной ветке
являются определяющими. Поэтому для большинства реак-
торов с натриевым теплоносителем и выбрано такое размеще-
ние *.
Насосы с гидродинамическими подшипниками. Первые оте-
чественные насосы для жидкого металла — натрия и сплава нат-
рия с калием (БР-5 и БН-350), а также зарубежные (SRE
РЕР) имели гидродинамические подшипники, у которых нижняя
радиальная опора расположена вне рабочей среды (отсюда сле-
дует и часто употребляемый применительно к этим насосам
термин «консольный»). Выбор такой схемы объяснялся тем, что,
во-первых, отсутствовал опыт работы радиальных подшипников
в жидком металле, а во-вторых, требуемые характеристики на-
соса позволяли иметь приемлемые размеры консоли. В этом
случае в качестве нижней радиальной опоры консольных насо-
сов использовались подшипники качения или скольжения с мас-
ляной смазкой. Насосы получались достаточно компактными,
с хорошо зарекомендовавшими себя в общем машиностроении
подшипниковыми узлами. Существенно также, что такие насосы
могли работать и в режиме газодувки при разогреве реактора,
что важно для эксплуатации. Для консольных насосов (рис. 2.16)
допустимые колебания уровня натрия над колесом в различных
режимах, ограничиваются длиной консоли. Для уменьшения
внутренних переточек (с нагнетания на всасывание) выемная
часть монтируется в бак по плотным посадкам или с уплотнением
(например, в виде поршневых колец). В связи с этим через ще-
левое уплотнение по валу, а также через зазоры между непо-
движными и выемными частями идет постоянная протечка в
бак насоса за счет поддержания давления за лабиринтом рабо-
чего колеса на всех режимах несколько бо 1ьшим. чем давление
♦ Имеются данные [1, гл. I), что процесс эрозионных разрушений конструкцион-
ных материалов в натрии резко возрастает при температурах, близких к 300е С. Поэто-
му в тех случаях, когда не гарантируегся отсутствие кавитации, это обстоятельство
также должно учитываться при выборе расположения насоса
43
Вход жидкости.
Рис 2 16. Схема консольного насоса
для жидкого металла на гидродинами-
ческих подшипниках скольжения:
I — патрубок слива протечек, 2 — уровень
заполнения; 3—рабочий вровень; 7—
уровень при остановленном насосе (контур
разогрет); 5 станина, 6— выемная
часть насоса 7 — нижний радиальный
гидродинамический подшипник 8 — вал;
9—радиально-осевой подшипник 10
уплотнение вала, 11 — ремонтное уплотне-
ние; 12 отвод масла из подшипника
t
Рис 2.17 Схема герметичного насоса
для жидкого металла на подшипниках
качения;
/, 8 нижний и верхний шарикоподшип
ник соответственно 2 — вал насоса ? —
корпус насоса 4 рабочее колесо 5
уровень теплоносителя 6 неподвижная
втулка; 7 ротор электродвигателя
I
•>
3
4
в газовой подушке насоса. Протечка меняется в зависимости
от изменения подачи, напора или давления на. всасывании, а
также с течением времени в результате возможного частичного
нарушения герметичности в местах уплотнения Например, в
насосах первого контура реактора БН-350 в начале эксплуата-
ции протечка в бак насоса составляла 40 м /ч, а после наработ-
ки 40 000 ч протечка увеличилась до 85 м3/ч. Вполне очевидно,
44
что если протечки не дренировать из бака, то насос будет залит.
Протечки, как правило, через специальный патрубок / возвра-
щают в контур к точке с наименьшим давлением
Поскольку нижний радиальный подшипник работает на мине-
ральной смазке, следует опасаться контакта натрия с парами
смазки. Для уменьшения этого нежелательного процесса исполь-
зуют смазку с меньшим давлением насыщенных паров, например
вакуумное масло. Если такое мероприятие окажется недоста-
точным, то насос должен быть оборудован специальной систе-
мой удаления паров смазки.
На рис. 2.17 рассмотрена возможная схема герметичного
насоса на подшипниках качения. Рабочее колесо имеет удлинен-
ный хвостовик, которым оно крепится к ротору 7 двигателя. Вал
2 насоса вращается на двух шарикоподшипниках — нижнем /,
воспринимающем только радиальную нагрузку, и верхнем 8, вос-
принимающем радиальную и осевую нагрузки. В кольцевую щель
между валом насоса и хвостовиком колеса вставлена неподвиж-
ная втулка 6, образующая гидрозатвор, исключающий попада-
ние металла в нижний подшипник. В таком насосе требуется под-
держивать постоянное давление в полости ротора.
Несмотря на высокую надежность, насосы с гидродинамиче-
скими подшипниками, расположенными в герметичной полости
насоса, не нашли широкого применения в ЯЭУ по следующим
причинам:
малое заглубление рабочего колеса, обусловленное ограни-
ченным размером консоли, требует для обеспечения нормальной
(бескавитационной) работы насоса увеличения давления газа,
что, в свою очередь, усложняет конструкцию реактора;
применение радиальных подшипников, смазываемых маслом,
требует особых мер предосторожности, исключающих попада-
ние масла или его паров в контур, так как даже дополнитель-
ные конструкционные меры полностью не исключают встречную
диффузию паров как теплоносителя, так и масла;
для насосов большой подачи допустимые размеры консоли
вала не могут обеспечить эксплуатационного изменения уровня
в баке, который определяется температурными изменениями
объема теплоносителя в контуре.
Перечисленные недостатки консольных насосов с гидродинамическими под-
шипниками исключаются. если встроить в насос замерзающее уплотнение, кон-
струкция которого описана в гл 3. Для нормальной работы этою уплотнения
важно поддерживать температурный режим ею на необходимом (достаточно
низком) уровне, определяемом температурой плавления теплоносителя Пре
крашение подачи охлаждающей среды может привести к прорыву металла через
уплотнение, что совершенно недопустимо. Чтобы уменьшить вероятность выброса
металла в помещение или подсос газа в полость насоса при аварийном размо-
раживании уплотнения, насос желательно располагать в точке контура с вы-
45
сотной отметкой, равной максимальному уровню теплоносителя в реакторе, в
целях обеспечения наименьшего перепада давления на уплотнении
К ochobhijm недостаткам насосов с замерзающим уплотнением, сдерживаю-
щим их применение в ЯЭУ. следует отнести:
высокие требования к надежности работы охлаждающей системы;
возможную нестабильность характеристик уилйтпепия в процессе эксплуата-
ции (из-за изменяющегося в пределах уплотнения состава замораживаемой
среды);
необходимость использования привода с повышенным пусковым моментом
или специального подрывного устройства для пуска насоса с замерзающим
уплотнением
Погружные насосы с гидростатическими подшипниками. В по-
гружных насосах нижнии радиальный гидростатическим под-
шипник погружен в теплоноситель, и металл подается к нему
с напора рабочего колеса Верхний радиальным подшипник сов-
мещен с осевым в одном блоке и вынесен из рабочей полости
насоса, что позволяет использовать минеральную смазку и при-
менять как подшипник качения, так и подшипник скольжения
(гидродинамический или гидростатический). Уплотнение вала
целесообразно располагать ниже верхнего подшипника, посколь-
ку это способствует снижению количества паров минеральной
смазки, попадающих в теплоноситель. Однако при этом ухудша-
ются условия замены уплотнения.
Среди погружных насосов следует различать заглубленные
(рис. 2 12) и малозаглубленные (рис 2.18). Рабочее колесо
заглубленного насоса всасывает металл из бака насоса при
петлевой компоновке или непосредственно из бака реактора при
интегральной компоновке Следовательно, в нем при пуске всегда
снижается уровень теплоносителя на сопротивление всасываю-
щей трассы (насос и реактор соединены по газу), так как на это
значение меняется давление на всасывании рабочего колеса
[см. выражение (2.1)]. Заглублением рабочего класса относи-
тельно уровня заполнения большим, чем сопротивление всасы-
вающей трассы, предотвращается возможность оголения рабо-
чего колеса при снижении уровня теплоносителя в насосе. Это
позволяет иметь минимально допустимое давление газа, что, в
свою очередь, упрощает вспомогательные контуры и повышает
надежность АЭС с реакторами па быстрых нейтронах.
Заглубление рабочего колеса должно учитывать также воз-
можные пульсации давления газа как в реакторе, так и в на-
сосе. При использовании погружных насосов нет необходимости
иметь систему слива протечек, как в консольных насосах. За-
глубленные насосы обладают одним существенным недостатком:
чем больше подача и мощность насоса, тем сложнее становится
его изготовление вследствие больших размеров вала и корпусных
деталей. Например, насос реактора БОР-60 при мощности всего
46
Рис. 2.18. Схема погружного мало-
заглублепного насоса для жидкого
металла:
/ — нижний гидростатический подшипник.
2 патрубок слива протечек; 3 уровень
заполнения. 4 — биологическая зашита;
5 — бак насоса; 6 — радиально-осевой
подшипник; 7 — уплотнение вала; 8—
муфта; 9 — электродвигатель; 10 махо
вик; II — уровень в остановленном насосе;
12—вал насоса, 13—рабочий уровень
220 кВт имеет вал длиной 5 м и
диаметром 0,3 м. Сам насос тре-
бует уникальных стендов для
испытаний, значительных пло-
щадей и соответствующего
подъемно-транспортного обору-
дования. Заметно снижаются
габаритные размеры заглублен-
ного насоса, если он размещает-
ся на горячей ветке [6]. Напри-
мер, при таком расположении
насоса в реакторе БОР-60 дли
ну его вала можно было бы
сократить на 1,2 м.
В малозаглубленном насосе
расположение рабочего колеса
обеспечивает падение уровня
теплоносителя только до уров-
ня, соответствующего сопротив-
лению всасывающею участка,
обес п еч и в а юще го номинальны й
режим. В режимах, отличных от
номинального, требуемое дав-
ление на всасывании обеспечи-
вается за счет перевода насоса
на меньшую частоту вращения.
Предусматриваются специаль-
ные меры, исключающие на вре-
мя перехода с одного режима
работы на другой понижение
уровня ниже допустимого В на-
сосе реактора БН-600 это дости-
гается за счет зазора (равного
1 мм) между корпусом и выем-
ной частью, при котором обеспе-
чивается минимально необходи-
12
13
Сли.6
протечек*
выход
жидкости
| Вход
I жидкости
47
мое время установления нового уровня, соответствующего меньшей
частоте вращения (например, 20 с при переходе с 1000 на
750 об/мин)
Если выемную часть малозаглублснного насоса уплотнить
по баку полностью, то можно допустить значительно большее
колебание уровня, чем в консольном насосе, и организовать
слив протечек, не опасаясь заливки ходовой части насоса. Ма-
лозаглубленные насосы обладают меньшими массой и габарит-
ными размерами по сравнению с заглубленными.
Глава 3
ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ НАСОСНОГО АГРЕГАТА
3.1. ПОДШИПНИКОВЫЕ ОПОРЫ
3 1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ПОДШИПНИКОВЫМ ОПОРАМ
Выбор конструкции подшипниковой опоры для ГЦН опреде-
ляется следующими требованиями:
высокая надежность на всех режимах работы, включая пуски
и остановки, а также ресурс не менее 50 тыс. ч,
работоспособность в среде с высокой температурой, давле-
нием и возможным наличием мелких твердых частиц;
отсутствие склонности материалов, применяемых для тру-
щихся пар подшипников, к «самосвариванию» и «схватыванию»
при аварийном прекращении подачи питающей жидкости, к де-
формациям и фазовым превращениям при температуре до 400° С,
к изменению размеров при проведении дезактивации контура
моющими растворами, используемые материалы должны быть
в максимальной степени технологичными, дешевыми и взаимно
совместимыми; нежелательно присутствие в материале подшип-
ника элементов, которые при облучении в реакторе приобретают
долгоживущую наведенную радиоактивность (например, G Со);
недопустимо выделение из материалов подшипника коррозион-
ноопасных веществ (например, фтора);
хорошая ремонтопригодность, позволяющая проводить не
только замену подшипникового узла в кратчайшие сроки, но и
ремонт отдельных его деталей (втулки вала, вкладышей и т. д.);
сохранение работоспособности при возможном обратном вра-
щении вала (реверсе);
относительно малая чувствительность к изменению нагрузки,
к нарушению заданной соосности опор в процессе работы, до-
статочная вибростойкость;
используемые для подшипников смазочно-охлаждающие жид-
кости должны быть огнестойкими и нетоксичными [1].
48
Рис. 3.1. Зависимость предельных нагрузок U7 для подшипников качения (сплош-
ные линии) и гидродинамических подшипников (штрихпунктнрные линии) от
частоты вращения <о/(2л):
/ — предельная граница для подшипников качения; /' — для высокоскоростных ролико-
подшипников; /7 для гидродинамических подшипников исходя из условий повреждения
вала. //' — для гидродинамических подшипников исходя из условий допустимой
критической толщины масляной пленки
Рис. 3.2 Зависимость предельных нагрузок IV для различных типов осевых
подшипников от частоты вращения ш/(2л) (обозначения те же, что на рис. 3.1)
Рис 3 3. Примерная завися
мость момента трения от уг-
ловой скорости ы для подшипни
ков одинакового размера:
/ — гидродинамические. 2 каче-
ния. 3 гидростатические
В качестве опор в ГЦН могут применяться подшипники как
качения, так и скольжения. Наиболее важными характеристи-
ками подшипника являются его несущая способность и потери
на трение. Несущая способность подшипника качения определя-
ется в соответствии с известными рекомендациями и ограничи-
вается диаметром вала и его частотой вращения [2]. Характери-
стики подшипников скольжения, которые разделяют на гидро-
динамические (ГДП) и гидростатические (ГСП), во многом оп-
ределяются свойствами применяемых материалов и параметрами
рабочей среды. Несущая способность ГДП в общем случае огра-
ничена минимально допустимой толщиной смазочной пленки
49
4-173
и критической температурой смазки и зависит в основном от
частоты вращения вала. Эти подшипники малочувствитсльнь
к изменениям направления вращения и нагрузки.
Несущая способность ГСП определяется давлением подавае-
мой в него жидкости, которая удерживает вал насоса во взве-
шенном состоянии и обеспечивает условия жидкостного трения.
По графикам на рис. 3.1 и 3.2 [3] можно предварительно оце-
нить возможность применения намечаемого типа подшипника.
Окончательная оценка должна делаться на основе тщательного
расчета и рассмотрения конкретных условий работы. Рису-
нок 3.3 дает примерную картину зависимости момента трения
от частоты вращения.
В большинстве случаев при проектировании ГЦН предпочте-
ние отдается подшипникам скольжения *, так как они в большей
мере отвечают перечисленным выше требованиям. Методические
основы расчета подшипников скольжения изложены в литерату-
ре достаточно полно (см., например, [4]). Ниже приводятся
лишь описание наиболее характерных конструкций подшипни-
ковых опор и основные сведения, необходимые для ориентиро-
вочных расчетов.
3.1.2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР
Г идродинамические радиальные подшипники выполняются
втулочными или сегментными. Для герметичных ГЦН преиму-
щественно используются более простые гидродинамические под-
шипники втулочного типа, которые могут применяться как для
вертикального, так и для горизонтального вала. На рис. 3.4
показана конструкция одного из таких подшипников. Он со-
стоит из корпуса /, в котором крепится штифтом 5 гильза 2 из
стали 1Х17Н2. В гильзу встраивается составная графитовая
втулка 4 из фторопластоуглеграфитового материала 211-1000-ЗП
по легкопрессовой посадке или с минимальным зазором и сто-
порится штифтом 3. Втулка 4 имеет восемь продольных каналов
6 радиусом 4 мм, необходимых для интенсивного отвода тепла
от рабочей поверхности. Работает она в паре с втулкой вала,
выполненной из хромоникелевого сплава ВЖЛ-2. Эта пара дает
хорошие результаты при окружных скоростях до 32 м/с, удель-
ных нагрузках до 0,4 МПа и температуре до 160° С. Диамет-
ральный зазор в подшипнике принят равным 0,2 мм при диаметре
втулки вала 100 мм.
В качестве сегментного самоустанавливающегося радиаль-
ного подшипника рассмотрим подшипник вертикального герме-
* В некоторых насосах, имеющих незначительные осевые силы, возможно приме-
нение верхнего радиально-осевого подшипника качения (см. гл. 5).
50
Рис. 3.4 Схема втулочного гидродинамического подшипника дли герметичного
насоса:
1 корпус; 2 — гильза, 5 — штифт; 4 — графитовая втулка; б каналы охлаж-
дения
тичного ГЦН английской фирмы «Hayward Tyler [3, гл. 2]
(рис. 3.5). В корпус 2 встроены шесть самоустанавливающихся
сегментов 10, которые стопорятся от проворачивания с помощью
кольца 8, изготовленного из стали Ms (сталь 20). Материал
сегмента — закаленная сталь EN-57, по химическому составу
близкая к стали 1Х17Н2. Сегменты подшипника с наружной
стороны имеют упорный бурт //, вокруг которого они могут
менять свое рабочее положение. Упорный бурт смешен по на-
правлению вращения на 5° от оси симметрии сегмента. Диамет-
ральный зазор при размере шейки вала 120 мм принят равным
0,26 мм. На цапфе вала напрессована втулка с рабочей поверх-
ностью из спецмассы «ферробестос». Между самоустанавлива-
ющимися сегментами имеется зазор / для смазки и охлаждения
трущихся поверхностей водой.
В герметичном ГЦН вал вращается в двух радиальных под-
шипниках и в целях унификации и обеспечения взаимозаменя-
емости их стремятся выполнить одинаковыми нс только по кон-
струкции, но и по линейным размерам.
В ГЦН с уплотнением вала условия работы нижнего радиаль-
ного подшипника такие же, как в герметичных насосах, и по-
этому пригодны для использования оба рассмотренных типа
подшипника, но чаще всего применяется третий тип — самоуста-
навливающийся втулочный радиальный подшипник (рис. 3.6).
Вкладыш 4 подшипника изготовлен в данном случае из углс-
графита, втулка 2 на валу — из нержавеющей стали с высоко-
51
A-A
Рис. 3.5 Схема сегментного подшипника для герметичного насоса:
/ — зазор между сегментами 2 - корпус; .? колодка упорного подпятника; 7 —
стопор; .5. 7 — вннгы крепления; 6 основание; 8 кольцо замковое. 9 крышка;
10—самоустанаилнваюшнйся сегмент; 1! упорный бурт
твердой наплавкой. Подшипник может самоустанавливаться от-
носительно рабочего положения вала, так как он опирается в
корпусе на сферическую поверхность 3 [2, гл. I].
Если радиальный подшипник располагается в ГЦН с уплот-
нением вне теплоносителя, то он доступен для осмотра и частич-
ного ремонта (замены). К нему можно подвести смазочноохлаж-
дающую жидкость с более высокими физико-химическими свой-
ствами (обычно это минеральные масла различных марок), чем
перекачиваемый теплоноситель, и гем самым обеспечить его
52
Рис 3 6 Схема самоустанавливающегося втулочного радиального подшил
ника
1 — импеллер 2 втулка вала 3 — сферическая опорная поверхность; 4 вкладыш;
.5 вал; 6 — лабиринт
надежную длительную работу Кроме того, в этом случае исполь-
зуются для рабочих поверхностей апробированные материалы,
проверенные и хорошо зарекомендовавшие себя в машинах дру-
гих отраслей промышленности.
Для иллюстрации сказанного рассмотрим радиальную опору
насосов реактора БН-350 (схему насоса см на рис 2.16)
цельновтулочный гидродинамический подшипник (рис. 3.7). Он
имеет сменную втулку 5, залитую баббитом Б-83. Ответной де-
талью является напрессованная на вал / втулка <5 из углеро-
дистой стали с цементированной рабочей поверхностью. Смазка
и охлаждение подшипника осуществляются принудительной
циркуляцией масла под давлением [5].
В насосах реактора БН-350 оба радиальных подшипника
(нижний и верхний) работают на масле и по конструкции иден-
тичны. Усложненный слив из нижнего подшипника на рис. 3.7
объясняется тем, что в условиях затесненности из-за отсутствия
возможности увеличить длину консоли вала требуется, с одной
стороны, исключить любую возможность перелива масла через
выгородки и проникновение его по щели между валом / и холо-
дильником 2 внутрь насоса, а с другой — свести к минимуму
опасность закупорки сливных отверстии в случае попадания нат-
53
Рис. 3 7 Схема гидродинамического радиального подшипника ГЦН реактора
БН 350:
/—вал: 2 холодильник; .?—кольцевая камера; 7— втулка подшипника; 5 — втулка
вала; 6 — корпус; 7 — перегородка
рия ’по той же щели в масляную ванну (например, при непре-
дусмотренных колебаниях давления в контуре). При нормальной
эксплуатации насоса масло, сливающееся вниз из нижнего под-
шипника, поступает в кольцевую камеру 3, из нее стекает по
восьми вертикальным трубкам под горизонтальную перегород-
ку 7, закрепленную над дном ванны, а из этой кольцевой пол-ости
в циркуляционный бак маслосистемы по сливному патрубку.
Полости ванны нижнего подшипника, образованные кольцевой
камерой и горизонтальной перегородкой, сообщаются между
собой через зазоры между элементами. Выше горизонтальной
переюродки в ванне нижнего подшипника имеются патрубок
для аварийного слива масла в циркуляционный маслобак и
датчик сигнализатора уровня масла емкостного типа, который
срабатывает при повышении уровня масла в аварийной ситуации.
Предполагается, что натрий, случайно выброшенный в ванну
нижнего подшипника ГЦН, застынет на горизонтальной пере-
городке, не будет попадать под нее и забивать сливной трубо-
провод масла.
54
Порядок расчета радиальных ГДП *. Общие положения. В подшип-
никах скольжения в зависимости от вида смазки различают коэффициенты
трения при жидкостной, полужидкостной и граничной смазках При жидкост
ной смазке поверхности вала и подшипника разделены сплошной пленкой; не-
посредственное трение между металлическими поверхностями вала и подшип
ника отсутствует.
При полужидкостной смазке сплошность пленки нарушена и поверхности
вала и подшипника соприкасаются своими микронеровностями на участках
большей или меньшей протяженности. Этот вид смазки встречается при отсут-
ствии механизма гидродинамической смазки
При граничной смазке поверхности вала и подшипника соприкасаются пол-
ностью или на участках большой протяженности. Жидкостный слой, разделяю-
щий поверхности трения отсутствует. Жидкость находится на металлических
поверхностях только в виде адсорбированной пленки.
При жидкостной смазке подшипники скольжения устойчиво работают в
широком диапазоне эксплуатационных режимов
Решение соответствующих уравнений гидродинамики дает возможность
определить основные характеристики подшипника скольжения, работающего в
режиме жидкостной смазки, несущую способность подшипника [3]:
ц t luiwl £
Ф2 ф2
потери мощности на преодоление гидродинамическою трения в смазочном слое
pt/ /
Количество смазывающего вещества, необходимое для обеспечения работоспо-
собности подшипника:
Q = ().5фUJdq = О.ЗхДд u>q
В (3 1) — (3.3) безразмерные коэффициенты Н. q— функции геометрии
опоры. Определение их является основной целью гидродинамической теории
смазки При создании методики расчета опор скольжения функции £(, и q та-
булируются или задаются в виде графиков в зависимости от какого-нибудь
универсального геометрического параметра, характеризующего, как правило,
форму и размеры смазочного слоя (например, от относительного эксцентриси-
тета в радиальных подшипниках скольжения) В этих формулах £— безразмер-
ный коэффициент нагруженности; — безразмерный коэффициент сопротивле-
ния перемещению, q безразмерный коэффициент расхода; /, d — длина и
диаметр подшипника; со угловая скорость; р — динамическая вязкость;
ф = 2А/т/—относительный зазор.
Геометрические соотношения элементов подшипников.
Работоспособность подшипника скольжения во многом определяется правильным
выбором его конструкционных соотношений: относительного зазора, относи-
тельной ширины, угла охвата подшипника.
* Здесь и далее подробнее см. В М. Вудов Судовые насосы. Справочник Л.:
Судостроение, 1988
55
Независимо or режима работы подшипника при полужидкостной, гранич-
ной или жидкостной с.мазке между валом и вкладышем подшипника должен
быть предусмотрен зазор для образования жидкостной пленки.
В силу того что радиальный зазор Л оказывает существенное влияние на ра-
ботоспособность подшипника в целом, и в первую очередь на минимальную
толщину смазочной пленки hmin и максимальную температуру смазки в зазоре
/max* решающее значение имеет правильный выбор относительного зазора ф,
определяемого видом сопряжения вала и вкладыша.
В общем случае для выбора относительного зазора в зависимости от окруж-
ной скорости вращения (Д цапфы рекомендуется пользоваться эмпирической
формулой
ф=0,8-10-3 Vt/o.
В зависимости от нагрузки зазор выбирают на основании опыта и анализа
работы опор аналогичных машин.
Диаметр цапфы обычно определяют, не только исходя из прочности и
жесткости, по также из чисто конструкционных соображений, связанных с
условиями размещения подшипников, уменьшения габаритных размеров маши-
ны и т. п. Длину рабочей части вкладыша / выбирают, учитывая, с одной
стороны, допускаемую удельную нагрузку н тип машины, а с другой стороны,
условия оптимальной нагруженности подшипника, тесным образом связанной
с тепловыделением и теплоотводом.
Угол охвата подшипника зависит в основном от характера приложения
нагрузки и его конструкционных особенностей. Как правило, для подшипников,
которые воспринимают нагрузки, постоянные по направлению, применяют
вкладыш с углом охвата а< 180° Вкладыши с углом охвата 180° используют
для опор, на которые действуют переменные по направлению нагрузки.
Критерии работоспособности. Критериями работоспособности опор
скольжения являются допускаемая температура в рабочей зоне подшипника и
минимальная толщина смазочной пленки.
Несущая способность смазочной пленки может быть потеряна вследствие
чрезмерного нагружения опоры при малой скорости скольжения либо вследствие
теплового разрушения. Как известно, сопротивление продавливанию сильно
увеличивается с уменьшением толщины пленки, поэтому потеря грузоподъем-
ности в опоре трения происходит в основном по причине теплового разрушения
смазывающей пленки.
В отличие от идеальных подшипников в реальных трущиеся поверхности
имеют шероховатости, искажения геометрической формы, а иногда деформации
и монтажные перекосы осей, поэтому в реальных подшипниках разделение тру-
щихся поверхностей вкладыша и цапфы смазочным слоем наступает при значи-
тельно большей толщине слоя, чем толщина граничного слоя смазки, равной
для многих случаев 0,1 0,3 мкм. Работа подшипника при жидкостной смазке
устойчива при соблюдении условия /imjn (72кр-|-2). Предельная толщина слоя
Лкр, являющаяся границей перехода подшипника из смешанного режима в режим
жидкостной смазки или обратно, называется критической минимальной толщи-
ной смазочного слоя. Невыполнение этого условия ведет к появлению режима,
когда возможны местные перегревы и повреждения поверхностей. В более тяже-
56
лых случаях возможно возникновение полужидкостной смазки, вызывающей за-
едание и заклинивание деталей при относительном движении.
В общем случае
Лир = Л , “1“ Л В Д" Л,| “I- Лд Д" Лц,
где Лц и Лв — высоты микронеровносзей поверхностей цапфы и подшипника;
Л„, Лл и Ля — величины, учитывающие соответственно перекос, прогиб упругой
линии вала по длине подшипника, отклонение от профиля продольного сечения
цапфы и вкладыша (бочкообразность, конусность).
Расчет при установившемся режиме работы. Если подшип-
ник находится под воздействием постоянной по значению и направлению нагруз-
ки и скорость относительного перемещения поверхностей трения в номинальном
р жи.ме неизменна (стационарная задача гидродинамической теории смазки), то
основные характеристики подшипника определяют по (3.1) — (3.3).
Расчетные зависимости (3 1) — (3.3) содержат ряд параметров, связанных
друг с другом. К числу основных данных, известных в начале проектирования
подшипника, относятся нагрузка на опору (значение и направление) частота
вращения вала, размеры вала (в частности, диаметр вата возле подшипника),
расстояние между опорами и температура окружающей среды.
К величинам, в большинстве случаев неизвестным, относятся диаметр цап-
фы (его определяют из условия прочности или по диаметру вала с учетом
галтелей, буртиков, переходов), длина вкладыша подшипника (выбирают по
отношению l/d, более или менее типичному для опор, подобных проектируемой).
Выбрав Ind. определяют среднюю удельную нагрузку
pm=W/(dl).
При выборе материала подшипника следует учитывать прежде всего опыт
эксплуатации аналогичных конструкций.
По выбранному среднему значению относительного зазора подбирают со-
ответствующую посадку и уточняют предельные и средние значения зазора.
Точность изготовления и параметры шероховатости рабочих поверхностей
цапфы и вкладыша выбирают в зависимости от типа подшипника, условий
эксплуатации, предполагаемых значений относительного эксцентриситета х и ми-
нимальной толщины смазочного слоя ЛЖ]Г1 (эти две величины определяют при
последующем гидродинамическом расчете)
Определив U>, <п, /, d. ф, выбрав материал вкладыша и подобрав систему
и сорт смазки, можно приступить к гидродинамическому расчету подшипника.
При гидродинамическом расчете прежде всего определяют безразмерный
коэффициент нагруженности £, затем находят соответствующее значение х и вы-
числяют минимальную толщину смазочного слоя Лт1П, далее определяют йкр и
проверяют, выполнено ли условие
Лгтп Лкр 2.
Эту стадию расчета следует рассматривать как предварительную, потому
что при уточнении температуры смазочного слоя динамическая вязкость масла
может отличаться от той, которая намечена предварительно. Для определения
температуры смазки в рабочей зоне и подсчета энергии, затрачиваемой на пре-
57
одоление сопротивления жидкости вращению цапфы, находят значения соот-
ветствующие значению у. полученному на первой стадии расчета. Затем вы-
числяют расход смазки Q, протекающей через подшипник, и проверяют усло-
вие теплового равновесия
Если это условие не удовлетворено, то вносят коррективы и повторяют
расчет до тех пор, пока в результате последовательных приближений оно не
будет выполнено.
Гидродинамические осевые подшипники составляют самую
распространенную группу опор в насосах. Несущая способность
у них обеспечивается давлением, создаваемым диском пяты,
жестко закрепленным на валу насоса и увлекающим смазку в
суживающийся по направлению вращения зазор между диском
и подпятником. В герметичных ГЦН гидродинамические осевые
подшипники работают на маловязкой водяной смазке (перека-
чиваемом теплоносителе), и с учетом О1раничения по геометри-
ческим размерам подпятник в этих опорах целесообразно вы-
полнять в виде сплошною кольцевого диска. Обеспечить надеж-
ность работы осевого подшипника такой конструкции удается
за счет малых удельных нагрузок (0,1-0.2 МПа) и подбора
эффективного профиля рабочей поверхности кольцевого под-
пятника
Некоторые из наиболее рациональных конструкционных решений подпят-
ников показаны на рис 3 8—3 12
1 Подпятник с плоской рабочей поверхностью, разделенной на отдельные
секторы (рис. 3 8) Между двумя соседними секторами имеются канавки, через
которые к трущимся поверхностям подводится смазка
2 . Подпятники, разделенные на секторы, каждый из которых имеет скос,
суживающийся в направлении вращения диска пяты (рис 3 9) Уклон по
верхности сектора составляет около (1—3)-10"а Наиболее эффективны под
Рис. 3.8. Схема кольцевого подпятника
с плоской рабочей поверхностью
/ сектор. 2 — канавка для подвода
смазки; 3—эпюра распределения давле-
ния в рабочем зазоре; 4 — диск пяты
Рис 3.9. Схема кольцевого подпятника
со скошенными ступеньками
/ — подпятник; 2 — эпюра распределения
давления в рабочем зазоре; 3— диск пяты
58
2 7
Рис. 3.10. Схема кольцевою подпятника с открытой (а) и закрытой (б) плоскими
канавками
I поверхность контакта; 2 канавка <? — эпюра распределения давления в рабочем
зазоре
Рис.. 3 11. Схема кольцевого подпятника со спиральными канавками
/ — плоскость. 2 канавка
пятники, у которых имеется уклон и в направлении от внутреннего радиуса
диска к наружному, что позволяет использовать инерцию вращения
3 . Подпятники разделенные канавками на отдельные секторы, в которых
часть поверхности занижена ступенькой составляющей несколько тысячных
долей от длины сектора Канавки могут быть открытыми (рис. 3.10, а) и за
крытыми (рис. 3.10,6) Закрытые канавки сложнее в изготовлении, однако
обладают большей эффективностью, поскольку боковые буртики снижают утечку
жидкости из зоны высокою давления Заниженная поверхность должна быть
параллельна поверхности контакта для обеспечения максимальной несущей
способности.
4 Подпятники со спиральными канавками на плоской поверхности (рис.
3.11) Форма и направление сужения канавок могут быть самыми разнообраз-
ными. однако глубина должна быть сравнима с расчетной толщиной пленки
(10—100 мкм) и постоянна как в направлении оси канавки, так и в направле-
нии, перпендикулярном к ней.
5 Подпятники с закрытым нагнетательным карманом Роился (рис. 3 12),
в которых контакт диска с подпятником осуществляется только по периметру
сектора шириной Н Остальная часть сектора занижена В заниженной части
59
Рис. 3.12. Схема подпятника с карманом Рейлея:
а — сектор подпятника (вид сверху); б — эпюра рас предел един давления в рабочем
зазоре н подпятник в разрезе, / - щель для сброса жидкости. 2— гидростатический
карман; 3—ступень; /— кананка; 5 — отверстие для подачи смазки; 6 диск пяты.
7 — п дпятннк-
сектора выделяются четыре зоны: узкая канавка с отверстием для подачи
жидкости, ступень, заглубленная по отношению к поверхности контакта на
1 5 мкм, гидростатический карман глубиной-Лт1П = 100 мкм и узкая щель для
сброса отработавшей жидкости.
В ГЦН с механическим уплотнением вала осевой подшип-
ник работает на существенно более высоких удельных нагруз-
ках (до 6 МПа), поэтому использовать рассмотренные конст-
рукции невозможно. В этих ГЦН для осевых подшипников от
внешнего источника подводятся специальные масла, а сама кон-
струкция подпятника представляет собой набор не связанных
между собой колодок, каждая из которых может поворачиваться
вокруг оси или точки. Известны две конструкционные схемы
такого подпятника. В первой каждая колодка имеет жесткую
точечную опору качания («подпятник Митчеля»), во второй ко-
лодки опираются на выравнивающие устройства гидравличе-
ского, рессорного или рычажного типа. Последний известен как
подпятник с уравнительной системой Кингсбери. Принцип ра-
боты колодочных подпятников заключается в том, что при пра-
вильно установленном центре поворота колодки сами прини-
мают наклон, соответствующий максимальному несущему уси-
лию при любых условиях работы. Эти подшипники при эффек-
тивном теплоотводе могут работать с системой смазки «ма-
60
Рис 313- Схема радиально-осевого подшипника насоса реактора БН 350:
/ —отверстие для подвода масла; 2 - кольцевой коллектор; 3 диск пяты; 4—
упорное кольцо; 5 — закладное полукольцо. 6 вал; 7 - корпус: 8 — колодка 9
винт опорный 10—втулка радиального подшипника; // корпус радиального под
шнпннка. 12 втулка нала
сляная ванна», т. е. не нуждаются в наружном источнике дав-
ления.
На рис 3.13 изображен iидродинамический осевой подшип-
ник Митчеля насосов реактора БН 350. Пята представляет со-
бой диск, изготовленный из стали 40Х, нижний торец которого
является рабочей поверхностью Пята установлена на вал 6 на
шпонке и крепится в осевом направлении двумя закладными
полукольцами 5. Пята вместе с валом опирается на подпятник,
состоящий из семи колодок 8, изготовленных из углеродистой
стали с заливкой рабочей поверхности баббитом Б-83 Колод-
ки, самоустаналивающиеся па опорных винтах 9, выверяются
по высоте при помощи контрольной плиты. Пята и подпятник
заключены в .маслян\ю ванну с повышенным давлением, кото-
61
Рис. 3 14. Схема подшипника ГЦН атомной электростанции KWO:
I — радиальный подшипник; 2 — поршень 3— опорное кольцо 4 колодка; 5 пята
6 — опора
рое поддерживается за счет щелевого уплотнения В (зазор
0.5 1 мм) между верхним торцом пяты и кольцом 4 ЛАасло
поступает в каждую колодку через кольцевой коллектор 2 и
три отверстия / в корпусе 11 радиального подшипника. Цир-
куляция масла осуществляется насосами системы смазки [6]
В подшипнике ГЦН АЭС «Obrigheim KWO» (ФРГ) приме-
нена гидравлическая система выравнивания (рис 3.14) [3, гл 2]
Качающиеся колодки опираются на кольцо, которое установ-
лено на подвижные поршни. Цилиндры всех поршней находят-
ся под давлением масла и гидравлически связаны между со-
бой. Это обеспечивает автоматическое поддержание одинако-
вого зазора между поверхностями колодок и диском пяты.
На рис. 3.15 показан гидродинамический двухсторонний
осевой подшипник с выравнивающим устройством рессорного
типа насосов реактора типа РБМК [7] Диск пяты 3 вместе
62
Рис. 3 15. Схема радиально осевого подшипника насоса реактора РБМК
а — общин вид б основные обозначения колодки / 5 фундамент; 2, 7 колодка
верхняя и нижняя соответственно; 3 — пята. 4 вал 6, 8 паке! рессор верхних и
нижних колодок соответственно 9 — радиальный подшипник
с валом 4 опирается на подпятник, состоящий из восьми коло-
док 7, воспринимающих осевую нагрузку, направленную вниз.
Для лучшего теплоотвода колодки выполнены из оло'вянистой
бронзы Бр. 010Ф1. Рабочие поверхности колодок наплавлены
баббитом Б-83 толщиной 3 мм с шероховатостью поверхности
63
Ra 0,32. Каждая колодка имеет опорное ребро, параллельное
выходной кромке колодки, со смещением относительно оси
симметрии на 9%. Колодка 7 устанавливается на пакет рессор
8 из стали 60С2А с твердостью поверхности HRC, 42—49 [8]
Напряжение изгиба под нагрузкой 196 кН составляет 50 МНа
при прогибе пакета рессор 0,49 мм. Максимальный зазор
между нижней пластиной рессоры и фундаментом / подпятни-
ка равен 0,7 мм. При нагрузке более 295 кН рессоры ложатся
на жестким фундамент и подпятник работает как нсподрессо-
ренный подпятник Митчеля. Пята изготавливается из стали
40ХН с твердостью после закалки КТ60. Толщина диска пяты
100 мм, расчетный прогиб диска на ширине колодок 125 мм
под нагрузкой 196 кН составляет 12,5 мкм. Диск пяты после
шлифовки притирается по плите первого класса и после окон-
чательной доводки имеет заданную шероховатость поверхности.
Поскольку на вал ГЦН могут действовать значительные
выталкивающие силы, осевой подшипник выполнен двухсторон-
ним с соответствующим набором колодок 2, фундамента 5 и
комплекта рессор 6 для восприятия нагрузки, направленной
вверх. Система смазки пяты — циркуляционная с фильтрацией
и охлаждением масла
Осевой подшипник насоса реактора РБМК выдерживает
пуски и остановки при удельном давлении 2,94 МНа и номи-
нальной частоте вращения и работает при удельном давлении
до 4,9 МПа. При усилии 519,4 кН максимальная температура
в слое баббита равна приблизительно 110° С при температу-
ре масла на входе 50° С, колебания давления в масляном кли-
не составляют 2—3% среднего давления, а неравномерность
нагрузки отдельных колодок не превышает 15%. Конструкция
радиального подшипника 9 аналогична конструкции подшип-
ников ГЦН реактора БН-350 Радиально-осевая опора успешно
эксплуатируется в серийных IHH на действующих АЭС.
Осевые и радиальные усилия, действующие на вал насоса
ГЦН-317, воспринимаются радиально-осевым подшипником, вы-
полненным отдельным узлом (рис. 3.16, а). Подшипник состоит из
корпуса /, упорного гребня «?, верхнего 4 и нижнего 2 упорных коло-
док, радиального подшипника 5 и поддона Упорный гребень, вы-
полненный совместно с шейкой радиального подшипника, установ-
лен на валу на двух цилиндрических поясках и прижимается гай-
кой в осевом направлении через прокладки 12. Крутящий момент
от упорного гребня на вал насоса передастся через шлицевое соеди-
нение втулки 9 с валом насоса. Осевые усилия, действующие на вал
насоса, через упорный гребень перелаются на упорные колодки 2,4,
которые опираются на рычажную балансирную систему типа Кинг-
сбери, обеспечивающую равномерное распределение нагрузки ме-
жду колодками (рис 3 16, б). Упорные колодки выполнены состав-
ными и имеют рабочий слой из баббита Б-83 толщиной 3 мм. Для
64
a)
Рис 3 16 ГЦН реакторов типа
ВВЭР
радиально-осевой подшипник насоса
ГЦН-317 (а). / — корпус: 2,4 — колод-
ки 3 — упорный гребень; 5 радиаль-
ный подшипник- 6 — корпус электро
магнитного разгрузочного устройства
7 электрокатушка; 8 — разгрузочный
диск; 9— втулка; К)—кольцо; II
муфта; 12 прокладка; 13—кулачок
14 храповое кольцо
схема рычажной системы осевого подшипника ГЦН-195 реактора ВВЭР-1000 (6)
/, 6 верхний и нижний чравновешнваюший рычаг соответственно; 2 колодка; 3
диск пяты; 4, 5— ось симметрии рычага и колодки соответственно; 7— обойма
5-173
улучшения образования масляного клина точка опоры колодок
имеет смещение от центрг) колодки в сторону выходной кромки. Ры-
чажная система с колодками и обоймой собрана в упорное кольцо.
В корпусе радиально-осевого подшипника установлены два упор-
ных кольца: верхнее, воспринимающее осевые силы, действующие
вверх, и нижнее при обратном направлении осевых сил. Радиаль-
ное усилие воспринимается радиальным подшипником, представ-
ляющим собой упорную цилиндрическую втулку с заливкой
баббитом Б-83.
Центровка радиального подшипника осуществляется по узкому
кольцевому пояску, который обеспечивает его самоустановку по
шейке осевого подшипника. Для предотвращения от перемещения
радиальный подшипник закрепляется двумя штифтами. Питание
его производится под давлением турбинным маслом, которое
дросселируется до атмосферного давления при сливе из полости
подшипника Все масло отводится через единый сливной патрубок.
Давление в полости подшипника регулируется дросселем. Кон-
струкция сливного бачка обеспечивает аварийную подпитку мас-
лом упорных колодок при обесточивании
Для обеспечения запуска электродвигателя насоса при полном
давлении в первом контуре, а также для обеспечения работы осево-
го подшипника на номинальной нагрузке в верхней части радиаль-
но-осевого подшипника установлено электромагнитное разгрузоч-
ное устройство, создающее на роторе усилие (15—20) • 104 Н, на-
правленное вниз. Электромагнитное разгрузочное устройство со-
стоит из разгрузочного диска 8 и корпуса 6 с электрокатушкой 7.
Разгрузочный диск установлен на гребне осевого подшипника
на двух шпонках и прижимается к гребню через зубчатую втул-
ку муфты 11 кольцом 10 Корпус электромагнита — цельноко-
ваный, изготовлен из магнитной углеродистой стали, установ-
лен на корпус радиально-осевого подшипника и одновременно
служит для него крышкой. Имеются подвод и отвод охлажда-
ющей воды холодильника, установленного в корпусе электромаг-
нита В корпус холодильника укладываются две электрокатушки,
последовательно соединенные между собой Катушки изолиро-
ваны микалентой и стеклотканью. Электромагнит питается по-
стоянным током. Питание подводится к коробке зажимов, уста-
новленной на корпусе электромагнита.
С целью предотвращения обратного вращения вала при ос-
тановке (реверсировании) установлено стопорное устройство,
представляющее собой храповой механизм
Оно состоит из храповою кольца 14, установленного на кор-
пусе электромагнита, и двух кулачков 13, свободно вращающих-
ся на осях, закрепленных в цапфах, диаметрально расположен-
ных на разгрузочном диске 8. При прямом вращении вала на-
соса центробежная сила выводит кулачки из зацепления с хра-
повым кольцом, и происходит свободное вращение вала При
66
остановке вала кулачки под действием собственной массы вхо-
дят в зацепление с храповым кольцом и стопорят вал при об-
ратном вращении.
В ГЦН реактора ВВЭР-1000 также применен маслосмазыва-
емый осевой подшипник с рычажной уравнительной системой
Кингсбери (рис. 3.16, б). Диск 3 пяты опирается на восемь коло-
док 2, установленных на верхние уравновешивающие рычаги /,
которые, в свою очередь, двумя заплечиками держатся на за-
плечиках нижних уравновешивающих рычагов 6 Последние
цилиндрическими выступами, расположенными радиально по
середине, опираются на плоскость обоймы 7. Таким образом,
упорные колодки в комплекте с верхними и нижними рычагами
представляют собой замкнутую по кругу рычажную систему. Для
образования масляного клина между диском пяты и колодками
ось симметрии 5 упоров колодок смещена от оси симметрии 4
рычагов I на величину а в сторону вращения Если некоторые
из упорных колодок по каким-либо причинам выйдут из кон-
такта с пятой, то остальные колодки через рычажную систему
будут перемещать их до тех пор, пока осевые усилия, действу-
ющие на все колодки, нс станут одинаковыми. Данная система
распределения нагрузки между колодками хотя сложна и трудо-
емка при изготовлении, но обеспечивает равномерность осевой
нагрузки по всем колодкам. Осевой подшипник в насосе реактора
ВВЭР-1000 выполнен в одном блоке с двумя радиальными гид-
родинамическими подшипниками. Рассмотренные конструкцион-
ные решения по осевым подшипникам характерны и для зару-
бежных ГЦН с уплотнением вала.
Порядок расчета осевых ГЛ II * Подшипники с плоскопарал-
лельными поверхностями скольжения. Опоры с идеально плос-
копараллельными поверхностями скольжения не могут работать н режиме жид-
костной смазки Для опор такого типа наиболее характерен режим гранич-
ной смазки и реже полужидкое! ной. Смазка обычно подводится к поверх-
ностям трения подшипника с помощью радиальных кананок. выполняемых на
поверхности пяты или подпятника (см рис 3.8)
Число канавок выбирают в зависимости от размеров подпятника с учетом
равномерного распределения смазки по всей поверхности трения. Для улуч-
шения подачи жидкости к трущимся поверхностям маслонояводяшнм канав-
кам придают профиль, который при относительном движении поверхностей
т| ения обеспечивает попадание смазки в зазор между поверхностями
Для этой цели смазочная канавка должна иметь прямолинейный наклон
ный участок. В случае движения трущейся поверхности в разных направле-
ниях (при реверсировании) смазочная канавка должна иметь два наклонных
участка. Глубина канавки 5 = 0,54-1 мм, угол наклона прямоугольного уча-
стка аг = 5-? 15° (на рисунке не показан).
В условиях пол ужи дкостпой смазки наличие указанных наклонных у част -
• С.м сноску на с 55.
67
ков при достаточном количестве жидкой смазки может способствовать об-
разованию гидродинамического клипа. В этом случае уклон наклонных уча-
стков целесообразно принимать равным 0. )0/ — 0,01 мм. Осевые подшипни-
ки с плоскопараллельными поверхностями скольжения рассчитывают, как пра-
вило, по критерию |3j, где р,-, — удельная нагрузка; о — скорость сколь-
жения
Удельная нагрузка на кольцевую пяту
4 IF
Рт - о------г--- •
л (d‘—d£) xi
гДе х> коэффициент, учитывающий уменьшение площади опорной поверх-
ности за счет смазочных канавок; в зависимости от числа канавок и их шири-
ны принимают xi =0.84-0,9.
Внутренний диаметр dn= (0.64-0,8) d. где d— наружный диаметр.
Значение v определяют по зависимости
u>(d3-d;|)
v =---------.
3(ds-dS)
Необходимо выполнение соотношения
4(Fio(d* — d<3) ,
-----;------- PmC’ .
axfd-’-dSrx,
Момент трения:
для неприработавшейся пяты
для приработавшейся пяты
ЛГф = 0,25/1 —(d-d0).
Xi
где fi — коэффициент трения
Подшипники с наклонными несущими поверхностями
Обычно рабочие поверхности подпятника состоят из двух участков, из кото-
рых одни являются плоскими (без скосов) и служат для восприятия нагруз-
ки в процессе пуска и остановки машины, когда скорость относительного пе-
ремещения подвижного элемента (пяты) мала для образования в клиновом
зазоре достаточного гидродинамического давления; другие — собственно кли-
новые участки (см рис. 3.9).
Ширину канавки принимают равной 2 4 мм. Размер d плоского участка
выбирают так, чтобы среднее давление неподвижной пяты на плоскопарал-
лельную поверхность подпятника не превышало допускаемого. Тогда
]Y.-
d =-------------
Г2 —Г1)п
где IF —нагрузка на подпятник; п — число наклонных поверхностей; [рт] —
допустимая удельная нагрузка; гг— rt = b ширина наклонного участка.
68
При проектировании подпятника обычно задаются следующими соотно-
шениями Г2А1 = 1.5-J-2; //6=0,5-?-1,6, где / — длина клинового наклонного
участка.
Число наклонных поверхностей определяют в зависимости от характера
вращения пяты Для постоянного направления вращения п =п£>с/(/-|-с-|-а);
для переменного направления вращения n=nDK/(2l где Ос=г1 + г2—
средний диаметр подпятника
Целью расчета при проектировании осевого подшипника с наклонными
поверхностями является определение основных характеристик — несущей спо-
собности, потерь мощности на трение, количество смазки, необходимой для
создания гидродинамического трения. При этом необходимо, чтобы были удов-
летворены основные критерии работоспособности, т е. 6П11П> 6„р и максималь-
ная температура смазки в зазоре пе превышала допустимую. Толщина смазоч-
ного слоя в клиновом зазоре между наклонной поверхностью и пятой в окруж-
ном направлении изменяется линейно.
Получено следующее выражение:
6=Л,-(Л2-Лт!п) (х//),
где hj — толщина смазочного слоя на входе в клин. /ц—толщина смазочного
слоя на выходе из клина; х — текущая координата; / -т- ширина клинового
наклонного участка.
Введем отношение /i2//rmin =р„, которое является важной характеристикой
смазочного слоя и называется коэффициентом уклона наклонной поверхности.
Обозначим = тогда средний радиус rc = 0,25Z>i (1 + 0), длина
6=0,5 Di (р—1), число наклонных поверхностей
0,5лDi (1+р)
(0,25 4-O.8)
2W
D, (3-!)+/
угловой размер плоскопараллельного участка
8UZ
0« =---------------.
n/V(|32-l) |рт]
угловой размер канавки
Qc = D, (1 +Р) ’
угловой размер клинового участка для постоянного направления вращения
QK = 2n/n-Qd-Qc.
Подшипники с с а м о у с т а н а в л и в а ю ш и м и с я колодками.
Надежность работы осевого подшипника (подпятника) зависит от восприни-
мающего осевого усилия, а также от конструкционных особенностей и орга-
низации маслоснабжения Среди конструктивных факторов, определяющих не-
сущую способность осевого подшипника, важнейшим является устройство ко-
лодок (цельные, составные, слоеные), вид опоры и ее положение по длине
колодки, распределение нагрузки по колодкам, размеры и материал колодки,
профилирование ее входной кромки и т д. Кроме того, конструкция осевого
69
подшипника должна обеспечивать распределение нагрузки на все колодки с
учетом возможных отклонений гребня (пяты) во время работы от положения
его в состоянии покоя
Толщина смазочного слоя в месте наибольшего сближения колодки под-
пятника с плоскостью упорного гребня является одним из основных крите-
риев работоспособности осевых подшипников (подпятников) с самоустанав-
ливающимися колодками. Устойчивая работа осевого подшипника в режиме
жидкостной смазки обеспечивается при условии где /iKp рекоменду-
ют выбирать исходя из следующего условия 6KI>^fI1)a, 4-0.01 мм. где [,Г10Х — паи
больший прогиб упорного кольца.
Вторым критерием, определяющим работоспособность опоры, является тем-
пература смазки в зазоре, измеренная нблизи рабочей упорной колодки.
На тепловой режим подшипника большое влияние оказывает система вхо-
да масла в смазочный зазор, направленная на исключение завихрений масла
на входе в клин, местных понижений давления и застойных зон перед колод-
кой, на улучшение температурного режима всей колодки.
Зависимость между минимальной толщиной смазочной пленки и ее темпе-
ратурой и, следовательно, температурой рабочей поверхности колодки учиты-
вают с помощью характеристического числа подпятника
П,,П * ЦсрОсрЮ In S, ’
которое является аналогом коэффициента несущей способности (S,— эффектив-
ная площадь опорной поверхности; рср — вязкость смазки при усредненном зна-
чении температуры в смазочной пленке).
Волнистость зеркала пяты при изготовлении не должна превышать 0.03 мм по
периметру, шероховатость поверхности зеркала должна быть не более 1.6 мкм.
шероховатость поверхности колодки не более 6,3 мкм. При увеличении параметра
шероховатости поверхности пяты от 1.6 до 10 мкм и неизменном параметре шеро-
ховатости поверхности колодки, равном 6,3 мкм, несущая способность подшип-
ника существенно снижается
Геометрические соотношения конструкционных элемен-
тов. Для нормальной работы подпятника точка опирания колодки должна быть
смещена по направлению вращения относительно центра тяжести рабочей по-
верхности упорной колодки. Смешение ОО| (рис. 3.15. б) —тангенциальный экс-
центриситет колодки, выражается в миллиметрах или в процентах по средней
тангенциальной длине упорной колодки x=(ei//) 100%. Он считается положи-
тельным, если точка опоры Oi смещена относительно центра тяжести рабочей
поверхности колодки О по направлению вращения, и отрицательным, если точка
О| смещена относительно точки О против направления вращения.
Для осевых подшипников характерны соотношения размеров: r2Ai = l-54-
4-2.5, //6 = 0,34-1.5. число колодок п равно 6—12; отношение площади поверх-
ности всех колодок к площади поверхности кольца радиусов и и г2 равно
0,7- 0,85. толщина колодки Я2=(0,25 ? 0.50) Ь; суммарный зазор с обеих сторон
кольца \ =0.24-0,8 мм; длина заходного скоса Л=0.1; расстояние между колод-
ками 18- 43% /-
7П
Рис. 3.17. Схема рабо-
ты гидростатического
подшипника:
/ - дроссель; 2 — рабо-
чая камера; •?—коллек
тор. 4 отверстие. 5 —
вал; 6 — корпус
Гидростатические радиальные подшипники применяются как
в герметичных насосах, так и в ГЦН с уплотнением вала и имеют
определенные преимущества перед гидродинамическими подшип-
никами [9—15]:
использование в качестве смазки перекачиваемой жидкости
при рабочей температуре, что позволяет встраивать ГСП непо-
средственно за рабочим колесом и дает возможность уменьшить
консоль вала и соответственно повысить критическую частоту
вращения;
высокая несущая способность при любой частоте вращения
вала (даже равной нулю);
небольшие потери на трение благодаря чрезвычайно низкому
коэффициенту трения | (4—7,5) -10 ];
практически неограниченный ресурс из-за отсутствия контакта
между рабочими поверхностями подшипника (если нагрузка не
превышает расчетную),
отсутствие необходимости теплоотвода от подшипникового
узла;
сохранение работоспособности некоторых типов ГСП (в мень-
шей степени для подшипника с взаимообратным щелевым дрос-
селированием) при наличии некоторого перекоса вала, что совер-
шенно недопустимо для гидродинамических подшипников.
Отличие гидростатических подшипников от гидродинамических
заключается в том, что давление жидкости в несущем слое ГСП
создается внешним источником, которым может служить рабочее
колесо ГЦН, если теплоноситель подается с его нагнетания, или
специальная система с подпиточным насосом. Если жидкость
подводится от постороннего источника, то несущая способность
ГСП не зависит от частоты вращения вала, т. е. от развиваемого
рабочим колесом напора. В отношении эксплуатации предпочти-
тельным является питание ГСП с напора насоса, хотя при пусках
и остановках ГЦН происходит касание рабочих поверхностей.
Для уяснения принципа работы ГСП рассмотрим рис. 3.17 Кол-
лектор 3 соединен отверстием 4 со стороной высокого давления,
а по торцам А и Б - со стороной низкого давления источника
71
питания подшипника жидкостью. Под действием этой разности
давлений вода через дроссели 1 поступает в камеры 2, а из них
по зазору между валом 5 и корпусом 6 подшипника вытекает
из камер в полость низкого давления. Давление в камере опре-
делится следующим выражением:
Р=Рк— \рл, (3.1)
где рк — давление в коллекторе; Дрд — потери давления при
протекании жидкости через дроссель.
Так как все камеры соединены с общим коллектором, то при
одинаковых дросселях у всех камер и концентрическом располо-
жении вала (эксцентриситет е = 0) в подшипнике расходы жид-
кости через камеры, потери в дросселях и, следовательно, дав-
ления в камерах также будут одинаковы. Если сместить вал по
направлению к какой-нибудь камере (т. е. е=#0), то сопротивление
гидравлического тракта через эту камеру (от коллектора до
слива) увеличится. Расход жидкости через эту камеру уменьшится,
а давление в ней возрастет вследствие снижения потерь в дрос-
селе. Одновременно в диаметрально противоположной камере
давление упадет. Таким образом, при смещении вала от концен-
трического положения создается разность давлений в камерах,
образующая восстанавливающую силу, действующую на вал
в направлении, противоположном направлению его смещения.
При определении эксцентриситета е, значение которого задают
при расчете исходя из условий работы ГСП, можно добиться того,
что вал будет удерживаться в подшипнике во взвешенном со-
стоянии. Подшипник, выполненный по этой схеме, называется
камерным ГСП с постоянными дросселями на входе и отводом
жидкости через торцы подшипника. Он отличается сравнительной
простотой конструкции и применяется, в частности, в качестве
нижнего радиального подшипника в насосах реактора РБМК
(рис. 3.18). Корпус подшипника / выполнен из стали 20X13.
На его внутренней поверхности равномерно ио всей окружности
расположены двенадцать рабочих камер 3. Вода в рабочую
камеру поступает через дроссель 2 с диаметром отверстия 7 мм.
Расход через ГСП в номинальном режиме составляет 50—
55 м3/ч. На шейку вала насоса напрессовывается втулка, изго-
товленная также из стали 20X13. Чтобы зафиксировать положе-
ние подшипника в горловине насоса при резких изменениях
температуры, корпус подшипника центрируется четырьмя
шпонками 5. Слив воды из ГСП на всасывание рабочего колеса
осуществляется по отверстиям 4. Схема питания ГСП рассмот-
рена в гл. 4. Позднее ГСП насоса РБМК был усовершенствован
(рис. 3.19). Со стороны фланца корпуса подшипника в спе-
циальной выточке был помещен вкладыш / из силицированного
графита, предназначенный для предохранения рабочей поверх-
ности ГСП от оплавления и схватывания при пусках и непред-
72
Рис. 3.18. Схема камерного ГСП насо-
сов реактора РБМК-1000:
1 - корпус; 2—дроссель; 3 — рабочая
камера; 4 слинчпе отверстие; 5
шпонка
Рис. 3.19. Схема модернизированного
камерного ГСП насосов реактора
РБМК-Ю00:
/ вкладыш графитовый; 2 — втулка
вала, 3 — кольцо поджимное, 4 — упругий
элемент 5 — вал
73
виденном прекращении питания. Зазор в ГС11 в зо'не вкладыша
па 0 1 мм меньше, чем зазор в рабочей части подшипника.
С целью обеспечить постоянный радиальный зазор при измене-
нии рабочей температуры вкладыш выполнен из шести отдель-
ных сегментов, поджатых в осевом и радиальном направлениях
коническими кольцами 3 с упругим элементом 4. Чтобы предо-
хранить графитовые сегменты от размыва, слив из ГСП ор|ани-
зован на всасывание рабочего колеса по сверлению вала 5.
В парс с вкладышем работает втулка 2 из стали 20X13 с плаз-
менной наплавкой на рабочую-- поверхность высокотвердого
материала.
Рабочие камеры ГСП могут быть расположены и на валу
насоса Так, например, выполнен ГСП в насосе первого контура
реактора «Rapsodie» [6, гл. 2] Питание подшипника осущест-
вляется (см гл 5) с напора рабочего колеса через три отверстия
диаметром 12 мм в обтекателе колеса и через сверление в валу.
Дроссели рабочих камер имеют отверстие диаметром 7 мм
Чтобы избежать засорения дросселей, в обтекатель встроен
сетчатый фильтр. Рабочие шейки подшипника наплавлены
колмоносм.
Рис 3.20. Схема дроссельного ГСП
/ пята; 2 кольцевая напорная камера; 3 сливное отверстие; 4 рабочая камера;
5 вгутка; 6— корпус ГСП 7— дроссель 8—шпонка 9 — пробка. 10 крышка
74
Дроссельные ГСП используются также в ГЦН фирм «Zul-
zer», «Gurnard» и в осевых насосах фирмы KSB [ 1Ь].
Камерные ГСП с постоянным дросселированием на входе и
отводом жидкости по всему периметру рабочих камер. Эти ГСП
более сложны в изготовлении по сравнению с описанными выше,
но при прочих равных условиях должны быть эффективнее
благодаря отсутствию перетечек воды из камеры в камеру.
Один из таких подшипников показан на рис 3 20 [1, гл. 2].
Он состоит из корпуса 6, в средней части которого выфрезованы
четыре рабочие камеры 4 Корпус имеет цилиндрические пояски,
служащие опорой для невращающегося вала Четыре продоль-
ные мелкие канавки на этих поясках препятствуют наволаки-
ванию металла при пуске и остановке Рабочая поверхность
корпуса наплавлена стеллитом ВЗК толщиной до 3 мм. В рабо-
чие камеры теплоноситель через дроссели 7 подается под дав-
лением из напорной кольцевой камеры 2. Против каждою
дросселя предусмотрены пробки 9, позволяющие при необходи-
мости заменять дроссели. Слив воды из ГСП осуществляется
через отверстия 3 па всас рабочего колеса. Крышка 10 подшип-
никового узла уплотняется по притертым поверхностям. Пять
шпонок 8 позволяют корпусу ГСП свободно перемещаться при
температурных расширениях с сохранением соосности с корпу-
сом насоса. Рабочая поверхность втулки из стали 10Х18Н9Т,
напрессованной на цапфу вала, наплавлена стеллитом ВЗК.
В данной компоновке вместе с радиальным ГСП встроена
и пята /
Камерные ГСП с переменным дросселированием (рис. 3 21)
нашли применение в основном в насосах для перекачки жидких
металлов или жидкостей со взвешенными частицами, поскольку
входная щель менее подвержена забиванию, чем дроссели.
В частности, приведенный на рисунке ГСП был спроектирован
для насосов реактора БОР-60. Он имеет шестнадцать рабочих
камер 5, каждая из которых соединена винтовыми канавками 3
размером 20X20 мм с диаметрально противоположной регули-
ровочной камерой 2. Подача натрия в ГСП осуществляется
непосредственно из заколесной полости ГЦН. Давление в рабо-
чих камерах регулируется двумя переменными сопротивлениями:
на входе в рабочую камеру и па выходе из нее. Причем при
сближении с втулкой в камерах с уменьшенным зазором входное
сопротивление падает, а выходное возрастает. В камерах с уве-
личенным зазором картина противоположная. В результате воз-
никает больший перепад давления по сравнению с тем, когда на
входе имеется постоянное сопротивление (дроссель). Следова-
тельно, при одинаковых габаритных размерах и прочих равных
условиях (используемый перепад, эксцентриситет) этот ГСП
имеет 1 рузоподъемность несколько выше, чем ГСП с постоян-
ными дросселями. При диаметре вала 270 мм в данном 1 СП
75
Сторона
рабочего колеса
Рис. 3.21 Схема гидростатического
подшипника с взаимообратным щеле-
вым дросселированием насоса реактора
БОР-60:
1 — входные зазоры; 2— регулировочная
камера; .3 — винтовые канавки; 7
кожух. 5 — рабочие камеры. 6 — выходной
зазор. 7 — втулка вала. 8— корпус
Рис. 3 22. Гидростатодинамический подшипник насосов реактора PFR
/ — корпус; 2—напорный коллектор. .3 — патрубок подвода натрия в коллектор;
4 рабочая камера; 5 штуцер
радиальный зазор составляет 0,3 мм Корпус в и втулка 7
на валу изготовлены из стали Х18Н9 с наплавкой по рабочим
поверхностям стеллитом ВЗК. Подшипник такого типа известен
как ГСП с взаимооб ратным щелевым дросселированием [17, 18]
Как уже отмечалось выше, он более чувствителен к перекосу,
чем подшипники других конструкций Дело в том, что при пере-
косе, когда, например, зазор 6 уменьшается, зазор / увеличи-
вается на то же значение (при соосном положении вала он бы
тоже уменьшился) Одновременно происходит частичное закрытие
зазора 1 с противоположной стороны на это же значение (при
соосном положении вала он бы увеличился). Таким образом,
подача жидкости в камеру 7 будет меньше нормальной И хотя
при этом сопротивление на сливе из камеры увеличится, оно
все же не компенсирует увеличение сопротивления на входе,
вследствие чего произойдет снижение грузоподъемности ГСП.
Кроме того, увеличение зазора 10 еще более снизит грузо-
подъемность
Дросселирование в щелевом подшипнике, как уже говорилось,
осуществляется в зазоре между неподвижным корпусом и вра-
щающимся валом со стороны рабочего колеса. Это значительно
76
снижает чувствительность его ко всякого рода механическим
включениям в теплоносителе в связи с тем, что они «перети-
раются» в этом зазоре. Кроме того, если вал смещается парал-
лельно втулке, то даже при износе уплотнительных поясков
(до некоторых пределов) не изменяется соотношение между
перепадом давления на уплотнительных поясках рабочих и регу-
лировочных камер, т. е. грузоподъемность ГСП не меняется.
Щелевые ГСП описанной конструкции применяются во всех
отечественных насосах АЭС с натриевым теплоносителем
К недостаткам щелевых ГСП, кроме сложности в изготов-
лении и повышенной чувствительности к перекосам вала, отно-
сятся большие геометрические размеры из-за наличия регулиро-
вочных камер, увеличенный (в 2- 4 раза) по сравнению с дрос-
сельными ГСП расход питающей жидкости. Кроме того, в этой
конструкции но длине регулировочных камер и на их уплотняю-
щих поясках появляются гидродинамические силы, совпадающие
по направлению с приложенной нагрузкой, в связи с чем длину
регулировочных участков необходимо выполнять как можно
меньше.
Регулировать давление в камерах ГСП можно различными
автоматическими устройствами, реагирующими на смещение
вала и нагрузку. Например, схема / СП с гидравлическими регу-
ляторами расхода может представлять собой наружные золот-
никовые или встроенные непосредственно в рабочие камеры
шариковые обратные клапаны, которые автоматически срабаты-
вают в зависимости от давления в рабочих камерах Такие ГСП
будут обладать существенно большей жесткостью по сравнению
с рассмотренными выше, в связи с чем их целесообразно при-
менять в насосах, имеющих значительные радиальные силы
(в частности, в результате дисбаланса, появляющегося в про-
цессе работы) В отечественных и зарубежных ГЦН подобные
ГСП применения не нашли
Расчетные и экспериментальные исследования камерных ГСП
показали, что их характеристики меняются в зависимости от
направления смещения вала (вида нагружения). Наибольшая
грузоподъемность получается при смещении вала «на камеру»,
наименьшая — при смещении вала «на перемычку». Эта анизо-
тропность уменьшается с увеличением числа камер. При шести
камерах анизотропность несущественна, а при десяти — харак-
теристики ГСП практически изотропны
Своего рода «гибридным», т. е промежуточным между гидро-
динамическим и гидростатическим, можно назвать подшипник,
у которого большая часть рабочей поверхности гладкая, а
рабочие камеры выполнены в виде ряда отверстий небольшой
площади. В этом варианте при работе ГЦН в подшиггнике раз-
виваются заметные гидродинамические силы. Даже при невра-
щающсмся вале грузоподъемность такого подшипника с пита-
77
635
ФЮО
Рис 3.23. Гидростатоднна-
мический подшипник на-
соса реактора БОР-60
(один из вариантов):
/ дроссель, 2 напорный
коллектор; 3 — корпус под-
шипника; 7 — рабочая по-
верхность
нием от постороннего источника не хуже, чем у камерных I СП.
Этот подшипник известен как гидростатодинамический. В i идро-
статодинамических подшипниках при увеличении частоты вра-
щения вала грузоподъемность возрастает в гораздо большей
степени, чем в камерных [19]. Впервые гидростатодинамический
потшипник был применен на натриевых насосах английского
реактора PFR [20, 211 Подшипник (рис. 3 22) состоит из кор-
пуса /, выполненного в виде гладкой втулки с камерами 4 диа-
метром 20 мм, расположенными в два ряда па одинаковом рас-
стоянии от торцов, в которые ввернуты штуцера 5 с дроссель-
ными отверстиями. Диаметр вала подшипника 200 мм. Натрии
на подшипник подается с напора насоса через фильтры. Так как
при уменьшении частоты вращения грузоподъемность подшип-
ника падает, при аварийных пусках и остановках насоса, а
также при работе насоса на частоте вращения 10% номинальной
(работа от «пони-мотора») возможен режим «сухого» трения
в ГСП. Поэтому рабочие поверхности подшипника с учетом
возможного контакта при работе покрыты твердой высокотемпе-
78
Рис. 3.24 Схема гидростатического осеного подшипника:
/ нижний подпятник; 2 дроссель; 3—верхний подпятник; 4—пята. 5 рабочие
камеры
ратурной наплавкой. Для опытного насоса реактора БОР-60
был также спроектирован и испытан гидростатодинамический
подшипник (рис. 3 23) При диаметре отверстия в дросселе 7 мм
и частоте вращения вала 1500 об/мин ею грузоподъемность
равнялась 19,6 кН Подшипник работал без су.хого трения и при
250 об/мин Рабочие поверхности в корпусе были наплавлены
электродом ЦН-6.
По конструкции и технологичности гидростатодинамические
ГСП проще всех ранее рассмотренных, однако в отечественных
насосах предпочтение отдано ГСП щелевого и камерного типов
из-за их более высокой надежности.
В табл. 3.1 приведены основные данные радиальных подшип-
ников некоторых отечественных ГЦП с уплотнением вала.
Гидростатические осевые подшипники имеют меныиес распро-
странение, чем гидродинамические. Принцип работы этих под-
шипников поясняет рис. 3 24. При сближении поверхностей пяты
4 и подпятника / изменяется гидравлическое сопротивление на
входе в рабочие камеры и выходе из них. В результате давление
в нижних камерах растет, а в верхних падает Появляется сила,
стремящаяся удержать вал в исходном состоянии. Аналогичным
образом работает гидростатическая пята и при перекосах вала.
Например, при уменьшении зазора в зоне камеры 5 (с одной
стороны) и соответствующем увеличении зазора в зоне камеры 5
(с противоположной стороны) из-за перераспределения давлений
между ними возникает момент сил. стремящийся вернуть упор-
ный диск в исходное положение.
Наибольшие потенциальные возможности для практического
применения гидростатических подпятников существуют в герме-
тичных ГЦН вследствие сравнительно небольших нагрузок на
их ротор. Конструкция такого подпятника приведена на рис. 3.20.
В отличие от схемы, рассмотренной на рис. 3 24, рабочие камеры
выполнены в неподвижных элементах подшипника.
79
Параметр БОР 60 БН 350
Первый контур Второй контур Первый контур Второй KOHTVp
Тип нижнего радиального подшипника ГСП с взаимооб ратным щелевым дросселированием Втулочные гидро- динамические
Рабочая среда Натрий Масло
Температура рабочей среды, ° С 450 500 70 70
Диаметр втулки вала, мм 270 270 500 550
Радиальный зазор, мм 03 0,3 0.3 0.3
Число рабочих камер Диаметр отверстия в дросселе, мм 16 16 — —
Расход рабочей среды на подшипник, м3/ч 42 40 6 6
Перепад давления на подшипнике, МПа 051 0,51 — —
Нагрузка на подшипник кН 7,6 7.6 10 10
Рабочий относительный эксцентриситет 08 0,8 —
Максимальная i рузоподъемность, кН 24 24 — —
Частота вращения, об/мин 1500 1500 1000 1000
Материал втулки вала Сталь XI плавкой 8119 с на- взк Сталь I2XH3A с цементацией
Материал втулки н корпусе Сталь XI8H9 с на- плавкой ВЗК и ЦН 6 Сталь 10 с наплав- кой баббитом Б 83
Шероховатость рабочих поверхностей 1 25 0,63 0,32- -0.16
Интересное решение представляет собой конструкция гидро-
статической няты, примененная в английских натриевых насосах
ЯЭУ PFR, выполненная в одном блоке с верхним радиальным
подшипником и уплотнением вала по газу. Пята для насоса
первого контура выполнена односторонней, так как действующие
на рабочее колесо осевые гидравлические силы уравновешены
У насоса второго контура (рис. 3.25) пята двухсторонняя. Верх-
ний подпятник является рабочим, нижний пусковым Подпятники
имеют сферические поверхности 2 и 6 для обеспечения дополни-
тельной самоустановки вала при работе.
Гидростатические осевые подшипники по аналогии с радиаль-
ными могут выполняться комбинированными (гидростатодинами-
ческими) Несущая способность их обеспечивается суммарным
действием гидростатического и гидродинамического эффектов
нагнетания жидкости в зазор. Отличительной особенностью их
являются размещенные на поверхности подпятника карманы или
камеры с подачей в них жидкости от постороннего источника.
Глубина карманов сравнима с минимальной толщиной пленки.
Несущая способность существует при певращающейся пяте
и возрастает по мере увеличения частоты вращения.
80
Таблица 3.1
БН-ЫХ) БН 800 ВВЭР-1000 РБМК-1000 ACT-500
Первый контур Второй контур Первый контур Второй контур
ГСП с взаимообратным дросселированием Натрий щелевым Втулочный гидродина- мический Вода ГСП дрос- сельный Вода ГСП дрос- сельный Вода
380 380 310 360 3(Ю 270 90
500 349 500 350 380 310 210
0,5 0.4 0 5 0.4 0,3 0,3 0,2
8 8 8 8 •— 6 8
— — — —- — 7 3,1
70 300 70 300 40 55 7,5
0,19 0 76 0 45 0,85 0,43 1.6 0,39
15 34 15 34 30 11 2,5
0,5 02 04 0.3 — 0,3 0,4
27 65.5 27 65,5 60 73 5
970 970 970 970 970 970 970
Сталь X 8HI0T с Сталь X 8HI0T с Сталь Сталь 20X13 Сталь 20X13
наплавкой ВЗК То же наплавкой ВЗК То же 1Х17Н2 Сталь Х25Н6АТМ с хромиро- ванием с термообра- боткой до HRC,= 42-b 4-49 То же с термообра- боткой до HRC»=424- 4-49 То же
0,32 0 16 0,32- -0,16 0,32—0.16 0,63 0,63
Обеспечение недежности осевого подшипника остается акту-
альной задачей. Только этим можно объяснить тот факт, что
постоянно ведутся работы по увеличению несущей способности
подшипников Предельную удельную нагрузку для колодок
«классических» подпятников на минеральной смазке ограничи-
вают уровнем 4,2 5,3 МПа В то же время большое внимание
уделяется созданию быстроходных осевых подшипников сколь-
жения, смазываемых маловязкими немаслянистыми жидкостями,
в частности водой Смазка подшипника водой упрощает конст-
рукцию и уменьшает габаритные размеры его за счет исключе-
ния разделительных уплотнений и автономной системы смазки,
а главное—устраняет пожароопасность ГЦН и снижает катего-
рию огнестойкости помещения, в котором он размещен [1]
Для работы на маловязких средах, в частности на воде, при максимальной
осевой нагрузке 392 кН и скорости скольжения 30 м/с в СССР спроектирован,
изготовлен и испытан осевой подшипник с наружным диаметром диска 400 мм,
в котором были использованы принципиально новые конструкционные решения
(рис 3.26) Они обеспечивают.
получение простыми средствами необходимой исходной макрогеометрии рабо-
чих поверхностей, находящихся в подвижном скользящем контакте;
81
6-173
Рис. 3 25 Схема верхнего под-
шипникового узла реактора
PFR:
/ атмосферная ступень уплот-
нения вала 2. О — сферические
поверхности; 3—рабочая камера;
4 пята; 5 подпятник; 7 — верх-
ний радиальный гидродинамичес-
кий подшипник; 8 - резиновый уп-
ругий элемент; 9 контурная
ступень уплотнения вала, 10 —
резиновая прокладка ремонтного
уплотнения; // козырек ремонт-
ного уплотнения. 12 корпус
Рис. 3.26. Схема осевого под-
шипника насоса реактора
РБМК 1500 (вариант I):
I — колодка; 2 — графитовые
вкладыши; 3 — вращающееся коль-
цо; 4 — вал; 5 — корпус радиаль-
ного подшипника; 6 диск пяты
рис. 3.27 Общий вид
подпятника осевого под
шипиика насоса реактора
РБМК 1500 (вариант 1)
Рис 3.28 Схема осевого
подшипника насоса реак-
тора РБМК 1500 (вари
ант П)
/ _ корпус насоса; 7
вращающийся диск. 3 —
вал. 4 колодка; 5 — пакет
рессор
стабильность достигнутой макрогеометрии рабочих поверхностей при нали-
чии осевых нагрузок, центробежных сил, переменных температур и т н.,
равномерное распределение удельных нагрузок но всем колодкам за счет
их полной соплоскостности
Для обеспечения названных условий вращающийся диск 6 разделен на две
части, которые соединены между собой так, чтобы свести к минимуму деформации
рабочих поверхностей под действием рабочей среды в гидродинамических
клиньях [22]. Диск 6 и кольцо 3 контактируют между собой по узкому пояску
(линейной опоре). Из расчета следует, что деформация рабочей поверхности
указанного составного диска по сравнению с деформацией цельного консоль-
ного диска при одинаковой их толщине уменьшается почти в 10 раз Одновремен
но с этим для уменьшения температурных деформаций диска приняты меры
по его термоизоляции. Полная соплоскостноеть всех колодой / осуществляется
83
обработкой их рабочих поверхностей за одну установку на станке При этом
каждая колодка имеет необходимую подвижность за счет упругих связей
в угловом направлении — для создания несущего гидродинамического клина
и в осевом направлении для компенсации торцовых биений, которые неизбежны
в реальных машинах. Детали 2 осевого подшипника, образующие подвижный
скользящий контакт, изготовлены из силицированного графита
Для уменьшения температурных деформации, вызываемых различными
коэффициентами термического расширения, сопрягаемые с графитом детали
1 и 3 выполнены из титанового сплава. Общий вид подпятника в сборке
показан на рис. 3.27.
Полшинник нормально работает под нагрузкой 392 кН и выдерживает
пуски-остановки под нагрузкой 245 кН
Высокую эффективность показал осевой подшипник с самоустапавливаю-
щимися колодками различного профиля (рис 3.28) Упорный диск 2 и основа-
ния колодок 4 изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т Рабочие
поверхности диска и колодок притерты до неплоскостности 2 мкм при шерохо-
ватости Ra 0,1b Применены коррозионно-стойкие антифрикционные материалы
нар трения силицированный графит по силицированному графиту и силицирован-
ный графит по специальной наплавке Испытания проводились в диапазоне
окружных скоростей 15- 38 м/с. При расходе воды через ниту 1,7 м3/ч темпе
ратура в межколодочных каналах не превышала темпера гуру воды на сливе
и колебалась от 20 до 70е С. Колодки были оснащены бесконтактными датчи-
ками для измерения толщины пленки гидродинамического клина на заходной
и выходной кромках. Критерием сравнительной оценки несущей способности
подшипника служила толщина пленки на выходной кромке колодки. В резуль-
тате экспериментальных исследовании выяснилось, что наибольшую несущую
способность имеют подшипники с нетрадиционной формой рабочей поверхности
колодок, обеспечивающие гаран гированный жидкостный режим смазки при
развитии устойчивого несущего клина в зазоре до удельных нагрузок 4,5 МПа
и окружной скорости на периферии диска 38 м/с.
Установлено, что с увеличением скорости скольжения несу-
щая способность пяты, смазываемой водой, возрастает, а смазы-
ваемой маслом — падает. Последняя имеет преимущество только
в диапазоне малых скоростей скольжения (до 20 м/с), т. е. в той
области, где тепловыделения в зоне трения невелики. По мере
увеличения скорости скольжения интенсифицируется выделение
тепла в трущихся слоях смазки, что приводит к искажению
поверхностей скольжения Эти искажения становятся соизмери-
мыми с толщиной несущего слоя смазки и приводят к резкому
снижению несущей способности пяты. Вода, используемая
в качестве смазки, обеспечивает хороший отвод тепла от зоны
трения, поэтому тепловые деформации деталей подшипника
незначительны Несущая способность пяты при этом оказывается
выше, чем при смазке маслом.
Упорный диск должен обладать достаточно высокой поверх-
ностной твердостью ввиду того, что действие мелких абразивных
84
частиц, неизбежно присутствующих во всякой смазке, является
в воде более агрессивным, чем в масле. Очистка воды, применяе-
мой для смазки, должна быть весьма тщательной. При этом
следует отдавать предпочтение центробежной очистке, так как
наблюдались случаи забивания фильтров осадками, содержа-
щимися в воде. Однако при центробежной очистке не следует
забывать, что легкие взвеси (ворсинки после протирки поверх-
ностей тканями и т. п.) свободно попадают в предохраняемый
узел и оседают там. Происходит так называемое «заиливание»,
продукты которого можно удалить обратным потоком воды.
Несмотря на положительные результаты, внедрение осевых
подшипников на водяной смазке в 1 ЦН сдерживается из-за
трудностей замены водой масла в подшипниках электропривода:
наряду со значительными усложнениями конструкции электро-
двигателя возникает опасность попадания воды на обмотку его
статора, что недопустимо. Замена масла водой только в насосе
не дает полного эффекта. Способствовать решению вопроса
может применение огнестойких масел [||.
В табл. 3.2 приведены основные параметры осевых подшипни-
ков некоторых отечественных ГЦН с уплотнением вала.
3.2. УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
3.2.1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ
Уплотнение вала во многом определяет безопасность ГЦН,
поскольку в случае отказа уплотнения радиоактивные протечки
через него могут быть весьма значительными. С появлением
мощных (несколько тысяч киловатт) ГЦН для АЭС возникла
потребность в уплотнениях вала, работающих при давлениях
8 18 МПа, температурах уплотняемой среды 260—300° С,
диаметрах вала 200—300 мм и частотах вращения 1000—
3000 об/мин (линейные скорости 30—40 м/с). При этом ресурс
уплотнения должен составлять не менее 20 000 ч. Создание
надежных уплотнении с такими параметрами — технически
сложная и ответственная задача. Трудности усугубляются тем,
что современные уплотнения валов ГЦН представляют собой
сложные динамические системы, в которых при определенных
условиях могут возникать самовозбуждающиеся колебания,
влияющие на нормальное функционирование уплотнения
[23— 25]. Имевшие место на ряде зарубежных АЭС аварии
с разрушением отдельных элементов первого контура были
следствием динамического возмущения именно этой системы
[26—30] Поэтому вопросы динамической устойчивости системы
ротор насоса — уплотнение — подшипники не должны упускать-
ся из виду при разработке ГЦН.
85
Параметр БОР 60 БН 350 БН-600 БН 800
Тип опоры Радиально-осе- вой сдвоенный шарикоподшип- ник Митч ель Па рессор? щи основе
Количество колодок — 7 7 7
Угол охвата колодки, град 27 27 35.4
Минимальная толщина — 35 45 45
колодки мм
Осевая сила, кН 10 76—86 57—67 90
Наружный диаметр пяты — 530 530 530
(по колодке), мм 330 280
Внутренний диаметр пяты — 330
(по колодке), мм 0,92— 1,08 0.80
Расчетное удельное дав- — 1.23—1,39
ление, МПа 1 606 1,89
Относительный диаметр — 1.606
Относительная длина ко- — 0.99 1.0 1,0
лодки 22,5 22.5 16.0
Скорость скольжения, ,м/с 15.0
Расход масла через под- 1,0 4,0 2,5 3.0
шинник м3/ч 0,3 0.3
Давление в полости под- 0,1 0.1
шинника, МПа 38
Мощность трения, кВт I 5 35 37 24- 32
Материал колодки — Сталь 1 поверх! 0 с заливкои рабочей юсти баббитом Б-83
Материал диска пяты — Сталь 40Х с азотиро- ванием Сталь 38ХМЮА с азоти- рованием
3.2 2 УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
С РАДИАЛЬНЫМ ЗАЗОРОМ
Одним из типов уплотнений вала, применявшимся ранее
в циркуляционных насосах для АЭС, было уплотнение с радиаль-
ным зазором между валом и втулкой, жестко закрепленной
в корпусе. Уплотнение в таких конструкциях достигается за счет
малого (минимально достижимого) зазора, ширина которого
ограничивается радиальными биениями вала и деформациями
корпусных деталей. Для предотвращения выхода горячей воды
из ГЦН в уплотнение подается холодная запирающая вода под
давлением, превышающим давление в основном контуре циркуля-
ции. Часть этой воды под небольшим перепадом давления идет
внутрь насоса, а остальная часть, дросселируясь в уплотнении,
выходит из ГЦН и возвращается в питающую систему.
Достоинствами уплотнения неподвижной втулкой являются
простота конструкции, широкий выбор применяемых материалов.
Однако протечки через радиальную щель в уплотнениях такого
типа относительно велики, что приводит к необходимости пре-
дусматривать в питающих системах вспомогательные насосы
86
Таблица 3.2
ВВЭР-1000 РБМК-1000 ACT 500
ВВЭР 440
Кингсбери На рессорной ос- нове Радиально-осевой сдвоенный шарико- подшипник
8 8 8
36 71 40 62 30 65 —
32 39 820- 1000 780 18*
490 870 600 —
260 450 350 —
3,2—3,9 3.14 3.6 —
1,88 1.93 1.71 —
1.0 1.1 1.0 —
29.4 38.4 35,5— 45,5 32,0 15,0
12,0 22,0 8.0 0.6
0.07—0 12 0.1 0.12 0,3 0,1
65 140-150 43 1.4
Бронза БР 010Ф1 с заливкой баб- битом Б-83 Сталь 10 с залив- кой баббитом Б-83 Бронза Бр. 010Ф1 с заливкой баб- битом Б 83 —
Сталь 38ХМЮА Сталь 40 —
с большими подачей и напором Снижения протечек можно
достичь лишь за счет увеличения длины щели, так как зазор
между валом и втулкой не может быть менее некоторого мини-
мально допустимого значения, определяемого величиной биения
вала. Но при этом повышается вероятность касания длинной
втулки вала при его перекосах и прогибах, из чего вытекает
необходимость дополнительного увеличения жесткости вала.
Другим способом снижения протечек является выполнение
нарезок различного профиля на рабочей поверхности вала
и втулки, которые за счет гидродинамических эффектов увели-
чивают гидравлическое сопротивление уплотняющего зазора. Но
этот способ эффективен лишь при зазорах 0,1 мм и менее, тогда
как у современных мощных ГЦН, особенно при использовании
гидростатических подшипников, радиальный зазор (для вала
диаметром около 250 мм) составляет 0,3—0,5 мм. В этих усло-
виях винтовые нарезки на валу и втулке на протечки существен-
но не влияют Например, при испытаниях уплотнения рассматри-
ваемого типа (уплотняемые диаметры 260—310 мм, зазоры
между втулкой и валом 0,85—0,87 мм на диаметр) протечки
87
в количестве 37 м3/ч при перепаде давления 5 МПа практически
не зависели от того, вращается вал или нет.
Таким образом, специфические особенности уплотнения вала
с жестко фиксированной втулкой приводят к целому ряду экс-
плуатационных проблем*
из-за чрезмерно больших протечек снижается эффективный
КПД ГЦН;
надежность работы уплотнения и ГЦН в целом зависит уже
нс столько от собственно уплотнения, сколько от питающей его
системы;
для поддержания постоянного перепада между давлением
воды, подаваемой в уплотнение, и давлением в основном контуре
необходима специальная система автоматического регулиро-
вания.
Стремление уменьшить протечки через уплотнение с радиаль-
ным зазором привело к созданию уплотнений, в которых зазор
может быть сделан существенно меньше, чем радиальное биение
вала Это достигается за счет нежесткой фиксации втулки отно-
сительно корпуса При этом втулка получает возможность
радиально смещаться и таким образом «отслеживать» биение
вала. Длинная втулка, как уже указывалось выше, чувстви-
тельна к перекосам и прогибам вала, поэтому дальнейшим
развитием этой конструкции явилось разделение втулки на от-
дельные кольца, каждое из которых способно независимо сме-
щаться в радиальном направлении Благодаря малой длине
кольца менее чувствительны к перекосам и прогибам вала
Однако длительная работа такою уплотнения возможна лишь
при разгрузке колец от осевых усилии, возникающих от действия
на них перепада давления Разгрузка выполняется следующим
образом (рис. 3.29). На торцовых поверхностях кольца 2 и диа-
фрагмы 3 выполняются кольцевые камеры 5, которые через
отверстия в кольце сообщаю!ся с полостью повышенного давле-
ния рпх. Давление рвх создается посторонним источником
(рис. 3.29, а), или равно давлению уплотняемой жидкости
(рис 3.29, б) [31]. При смешении кольца в осевом направлении
под действием перепада давления рвх—ро верхний торцовый
зазор уменьшается и давление в камере 5 растет. В это же
время из-за увеличения нижнего торцового зазора облегчается
слив жидкости из него по периферии кольца 2 и через сверления
в диафрагме 3 в полость низкого дваления 4. В результате
давление в зазорах автоматически распределяется таким образом,
что кольцо вывешивается в осевом направлении без механичес-
кого контакта с сопрягаемыми деталями При возможном пере-
косе кольца с одной его стороны торцовые зазоры становятся
конфузорными и давление в них возрастает, а с диаметрально
противоположной стороны зазоры принимают диффузорную фор-
му и давление в них падает. Это приводит к возникновению
88
Рис 3.29. Конструкционное исполнение одной ступени уплотнения с плавающими
кольцами с посторонним источником давления (а) и с использованием давления
уплотняемой воды (б):
I — неподвижное кольцо; 2 — плавающее кольцо; 3 — диафрагма; 4 — полость низ-
кого давления; 5 кольцевая камера; 6 вал; 7 — полость повышенного давления
восстанавливающего момента, препятствующего угловой вибра-
ции кольца. При вращении вала кольцо под действием гидро-
динамических сил, возникающих в радиальном зазоре, легко
отслеживает биения вала, не контактируя с ним.
Такие уплотнения получили названия уплотнений с самоуста-
навливающимися или «плавающими» кольцами. Зависимости
протечек через диаметральный и торцовые зазоры от ширины
этих зазоров и уплотняемого давления приведены на рис. 3.30.
Уплотнение плавающими кольцами было разработано для
насосов реакторов РБМК (рис. 3.31) [32]. Оно состоит из уплот-
нения высокого давления с плавающими кольцами и концевого
механического уплотнения низкого давления 8. Уплотнение вы-
сокого давления содержит набор плавающих колец 4, установ-
ленных на втулке 2 вала 5 с радиальным зазором 0,1—0,15 мм.
Рис. 3.30. Зависимости протечек от диаметрального затора (а) и от суммарного
торцового зазора (б) при различных перепадах давления
89
9
д
7
6
5
?
3
2
1
Слаб бодо-
маслянои.
^эмульсии.
I—^Слиб
протечек
организо-
ванных
утечек
Подача.
запи.-
Рис 3.31. Схема уплотнения вала насосов реактора РБМК
1 полость, соединенная со всасыванием насоса; 2 —- втулка вала; 3 диафрагма;
-/—плавающее кольцо; 5 — вал. 6 — корпус уплотнения; 7 полость перед концевым
уплотнением, 8 — концевое уплотнение; 9 — уплотняющее кольцо
ISS
ISS
life
SS5
Кольца под действием перепада давления вывешиваются в осевом
и радиальном направлениях, что обеспечивает их свободное (без
механического контакта) перемещение в радиальном направлении.
Кольца разделены между собой неподвижной диафрагмой 3.
Суммарный осевой зазор между диафрагмой и кольцом состав-
ляет 0,05—0,1 мм. Плавающие кольца и втулка изготовлены
из закаленных до твердости НКСЭ=51 сталей 30X13 и 40X13
соответственно. В уплотнение подается через патрубок запира-
ющая вода под давлением, превышающим давление на всасывании
насоса на 0,1 — 0,35 МПа. Часть запирающей воды через /и
90
нижних кольца в количестве 5—8 м /ч проходит внутрь насоса
(в полость /), препятствуя выходу из него горячего теплоносителя.
Основной расход уплотняюшей воды (15 м3/ч) через семь
плавающих колец попадает в полость 7 перед концевым уплотне-
нием, в которой поддерживается избыточное давление 0,26 МПа
за счет высоты расположения сливной емкости Ввиду того что
радиальное перемещение плавающего кольца мало, износ его
торцовых поверхностей в процессе работы незначителен.
Уплотнения с плавающими кольцами нашли ограниченное
применение в ГЦН для АЭС с кипящими реакторами. Так,
в установках США JE APED, «Big Rock Point». VBWR в перво-
начальных вариантах уплотнений были применены плавающие
кольца Главные циркуляционные насосы с уплотнением плаваю-
щими кольцами изготавливали и некоторые европейские фир-
мы [33] В настоящее время в подавляющем большинстве ГЦН
применяют торцовые уплотнения Плавающие кольца использу-
ются лишь для уплотнения запирающей воды, поступающей
внутрь насоса, т е. в условиях небольшого перепада давления
Причиной, побуждающей к отказу от плавающих колец в качест-
ве уплотнения с ростом мощности ГЦН, является наличие у них
тех же недостатков, что и при уплотнении фиксированной втул-
кой. Хотя протечки через плавающие кольца в 3-4 раза меньше,
чем через втулочное уплотнение, для них по-прежнему необходи-
ма громоздкая питательная система с непрерывно работающими
насосами, которые зачастую не обладают достаточной надеж
ностью. Кроме этого, для питания уплотнения водой при возмож-
ном кратковременном обесточивании этих насосов предусматри-
вается аварийная питательная система, включающая в себя
баллоны воды и газа высокого давления. Таким образом, надеж-
ность уплотнения с плавающими кольцами определяется в основ-
ном надежностью системы питания уплотнения.
3.2 3 ТОРЦОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА
В качестве подходящего, т. е отвечающего требованиям
эксплуатации на АЭС и наиболее перспективного типа уплотне-
ния вращающегося вала в ГЦН для АЭС, может рассматриваться
только торцовое уплотнение. Принципиальное его отличие от
уплотнения с радиальным зазором заключается в том, что торцо-
вая уплотняющая щель является плоской, тогда как радиальная
имеет цилиндрическую форму Предпочтение плоской (торцовой)
щели по сравнению с цилиндрической (радиальной) отдано
потому, что технологически очень трудно обработать цилиндри-
ческие круговые поверхности с отклонением в несколько микрон,
и с увеличением диаметра эти трудности возрастают Плоские
поверхности с необходимой точностью могут быть сравнительно
ле! ко получены притиркой, а их неплоскостность может быть
91
доведена до долей микрона даже при больших диаметрах уплот-
нений. Поэтому при высоком давлении и прочих равных условиях
торцовая шель в подвижном контакте всегда будет герметичнее
радиальной щели. Кроме того, ширину торцовой щели относи-
тельно просто регулировать с помощью гидростатических и гидро-
динамических элементов конструкции, так как при осевых
перемещениях ее поверхности смещаются в основном парал-
лельно, не изменяя существенно формы зазора, в то время как
в радиальной щели форма зазора при смещении цилиндрических
поверхностей меняется
В связи со сложностью процессов. сипровиждающих работу уплотняющих
поверхностей, пока нет единой теории, которая позволяла бы с .тостаiочной
точностью получать расчетным путем необходимые параметры и характеристики
уплотнения, в частности распределение давления и коэффициент трения в зазоре,
расход запирающей жидкости, температурный режим уплотняющих поверхностей,
скорость их износа [34—38]. Поэтому при создании новых торцовых уплотне-
ний приходится ориентироваться главным образом на экспериментальную отра
ботку Проводимые при проектировании расчеты |39—41] позволяют лишь с
некоторой определенностью наметить основные размеры элементов уплотнения.
Целесообразно упомянуть только об одном, наиболее характерном параметре
торцовых уплотнений — коэффициенте нагружснности, от значения которого в
большой степени зависят надежность и ресурс уплотнения. Коэффициент нагру-
жснности k определяет баланс сил. удерживающих уплотняющий стык в закрытом
состоянии, и равен отношению среднего давления в зазоре к давлению уплот
няемой среды На практике обычно предпочитают определять k как отношение
гидравлически неуравновешенной площади а уплотняющих элементов к площади
контакта b (рис. 3.32) При заданной ширине поясков необходимую степень
нагружснности можно получить, изменяя диаметр установки вторичного уплотня
юшего элемента. Его нужно располагать так, чтобы давление среды р помогало
уменьшению торцового зазора, иначе уплотняющий стык может раскрыться
Рис. 3 32 Схема нагруженности в уп-
лотняющем подвижном контакте.
/ вращающийся подвижной блок; 2 —
открывающие гидростатические силы; 3
уплотняющий подвижной контакт, 4 —
вторичный уплотняющий элемент; 5 не-
вращающийся блок. 6 — закрывающие
гидростатические силы
92
По ширине рабочего зазора, а также по принципу его под-
держания торцовые уплотнения делят на гидростатические и
гидродинамические.
В гидростатическом уплотнении благодаря тщательно сбалан-
сированному соотношению между геометрическими размерами
уплотняющих поверхностей и давлениями, действующими в зоне
уплотняющею стыка, поддерживается постоянный рабочий зазор
10—30 мкм. Сравнительно большие протечки (0,5—1,5 м3/ч)
через торцовый зазор позволяют более уверенно прогнозировать
вид эпюры давления в зазоре, что облегчает балансировку сил,
действующих в осевом направлении на уплотняющие элементы.
Протечки, кроме того, интенсивно отводят тепло, выделяющееся
при трении, что уменьшает температурные градиенты, а следо-
вательно, и термические деформации. Благодаря отсутствию
износа от истирания уплотняющих элементов облегчается выбор
материалов для них.
Гидростатическое уплотнение использовано, например, в ка-
честве основного уплотнения в ГЦН фирмы ,,Alstrem“ для АЭС
,,Loviisa“ (рис. 3.33). Уплотнение выполнено двухступенчатым,
что достигается распределением (поровну) перепада давления
на каждую ступень. Для этого предусмотрена специальная сис-
тема с внешним байпасным потоком воды высокого давления
(см. гл. 4). Неподвижное 10 и подвижное 11 уплотняющие
кольца каждой ступени выполнены из нержавеющего матери-
ала с напылением на трущиеся поверхности карбида вольфрама
Кольцо 10 имеет с тыльной стороны буртик шириной 2,5 мм,
которым оно опирается на корпусную деталь, что позволяет
кольцу 10 свободно самоустанавливаться относительно кольца
11. В подвижном кольце И имеются радиальные и осевые ка-
налы 2, по которым запирающая вода после сетчатого фильтра
и дросселей попадает в четыре напорные камеры 3 шириной
5 мм, равномерно расположенные в кольце //. При правильном
выборе диаметра отверстия в дросселе, ширины и диаметра рас-
положения камер давление воды 2—2,5 МПа создает осевую
силу, способную преодолеть усилие пружин 12 и трение уплот-
няющего резинового кочьца 4. При этом образуется гарантиро-
ванный зазор 5—6 мкм между уплотняющими кольцами. На
каждой ступени уплотнения срабатывается 6—7 МПа давления
запирающей воды при протечке примерно 0,5—0,6 м3/ч
Наряду с очевидными достоинствами гидростатические уплот-
нения обладают целым рядом негативных качеств:
несмотря на резкое снижение протечек через уплотнение по
сравнению с плавающими кольцами величина их остается все же
достаточно большой. Такие протечки требуют специальной сис-
темы питания, что, как и в случае радиальных уплотнений,
снижает надежность гидростатического уплотнения;
большая скорость течения жидкости в зазоре может вызвать
93
Рис. 3.33. Конструкция уплотнения ГЦН фирмы <Alstrcrri»:
/ — нал насоса; 2 — канал с дросселем 3 — напорная камера; 4 9 уплотняющие
резиновые кольца; <5. 12 пружины; 6 — обойма, 7 - графитовое кольцо; 8 — стальное
кольцо; 10. 11—неподвижное я вращающееся уплотняющее кольцо соотвеютвснно;
/,? _ втулка вала; 14 вкладыш радиального подшипника
94
эрозионный износ рабочих поверхностей;
значительный осевой зазор может привести к попаданию в
него твердых частиц, вызывающих абразивный износ поверх-
ностей;
характеристики уплотнения при большой толщине жидкост-
ной пленки неустойчивы (чем больше толщина пленки, тем
меньше се жесткость, и наоборот). Особенно это сказывается
при изменении размеров и конфигурации щели в условиях
абразивно-эрозионного износа, а при изменении режимов работы
может привести к раскрытию уплотняющего стыка;
гидростатические уплотнения сложнее других уплотнений по
конструкции и технологии изготовления. Для обеспечения гидро-
статических эффектов требуется иметь в уплотняющих элементах
очень тонкие зазоры (20—40 мкм в случае уплотнений с кон-
фузорной щелью или параллельной ступенькой со стороны высо-
кого давления) или малые отверстия (0,3—0,6 мм при дрос-
сельных гидростатических уплотнениях). Технологически вы-
полнить и проконтролировать такие элементы в уплотнении очень
сложно, особенно при больших размерах уплотняющих элемен-
тов, характерных для мощных ГЦН. При применении дросселей
необходимо также не только точно обрабатывать отверстия, но и
подбирать их строго одинаковыми по сопротивлению, иначе может
произойти перекос уплотняющих поверхностей и уплотнение
выйдет из строя. Кроме того, существует опасность забивания
дроссельных отверстий твердыми частицами или зарастание мел-
кими взвесями (облитерация) с нарушением их идентичности;
большие протечки через торцовое гидростатическое уплотне-
ние не позволяют слить их свободным сливом, поэтому уплот-
нения предусматривают запирающее концевое уплотнение, рабо-
тающее при низком перепаде давления.
В гидродинамическом уплотнении зазор между уплотняю-
щими поверхностями существенно меньше, чем в гидростати-
ческом (единицы и даже доли микрометра). Гидродинамический
клин в уплотняющем стыке образуется за счет микронеровностей
и волнообразной деформации (несколько микрометров) уплот-
няющих поверхностей.. возникающей в зоне трения вследствие
разницы температур между элементами уплотнения. Поэтому
такие уплотнения иногда называют термодинамическими. Для
облегчения условий возникновения гидродинамического клина на
уплотняющей поверхности рядом с рабочим пояском можно
предусмотреть гидродинамическую ступень, выполняющую функ-
ции осевого подшипника, но, конечно, не подменяющего пос-
ледний. Не участвуя непосредственно в создании уплотняющего
контакта, гидродинамическая ступень облегчает условия работы
плоского уплотняющего пояска, снижая трение и выделяемое
тепло, что в целом благоприятно сказывается на работе уплот-
нения, повышает его надежность и долговечность.
95
Основные трудности при создании торцового гидродинамического уплотне-
ния — сохрание плоскопараллельной формы уплотнительной щели при рабочих
условиях, поддержание контактного давления на рабочей поверхности, которое
устраняло бы утечку, но не приводило бы к полному вылавливанию жидкости
из зазора и износу, а также сведение к минимуму количества тепла, выделяю-
щегося при трении. Малая ширина зазора и, следовательно, малые протечки
через него приводят к тому, что даже очень небольшие угловые деформации
(силовые и термические) резко изменяют вид эпюр давления в уплотняющем
зазоре. Балансировка осевых сил с целью подобрать минимально необходимое
усилие прижатия уплотнительных элементов друг к другу, которое исключило бы
их раскрытие, становится весьма затруднительной Попытки заменить баланси-
ровку сил заданием такого большого осевого усилия прижатия, чтобы уплот-
нение не раскрылось при любых деформациях уплотнительного стыка, к успеху,
как правило, не приводили В этих условиях наблюдался интенсивный износ
уплотняющих поверхностей, чаше всего неравномерный, который вызывал преж-
девременный выход уплотнения из строя вследствие перегрева или полного износа
уплотняющих поясков [42|. Кроме того, ввиду неравномерного износа уплот-
нение, проработавшее некоторое время при определенных давлении и темпера-
туре, резко меняло свои характеристики при смене режимов, вплоть до раскры-
тия уплотняющего стыка. Теплоотвод в гидродинамических уплотнениях также
затруднен из-за малой протечки, что в нестабилизировапной конструкции может
привести к появлению недопустимых термических деформаций вследствие повы-
шенною тепловыделения Все это служит причиной того, что в ГЦН в качестве
уплотнений вала используются до сих пор в основном торцовые гидростатические
уплотнения. И все же надо признать, что последние так же, как когда то уплот-
нения плавающими кольцами, исчерпали свои возможности.
Торцовое гидродинамическое уплотнение обладает несколь-
кими неоспоримыми преимуществами, которые и определяют
перспективу его использования в ГЦН [43, 44], и прежде
всего—весьма малые протечки, отвечающие жестким требова-
ниям к допустимой негерметичности и недостижимой в других
конструкциях уплотнений:
протечки через торцовые гидродинамические уплотнения в
мощных ГЦН не превышают нескольких десятков литров в час.
Следовательно, можно отказаться от постоянно работающих
вспомогательных насосов высокого давления и питать уплот-
нение через гидроаккумулирующую емкость, которая способна
обеспечить непрерывную подачу запирающей воды в течение
нескольких часов или десятков часов, в зависимости от протечек
и вместимости гидроаккумуляторов Такими образом, уплотнение
становится менее зависимым от системы питания, и его надеж-
ность определяется целиком надежностью конструкции самого
уплотнения;
уплотнение с малыми протечками способно нормально функ-
ционировать без подачи запирающей воды (на контурной воде),
так как небольшие протечки можно охладить внутренним холо-
дильником до температуры ниже температуры кипения жидкости
96
Слив
Рис. 3.34. Конструкция торцового уплотнения насосов реактора РБМК-НИЮ:
/ вал насоса; 2 — корпус уплотнения; 3, / — неподвижное и вращающееся контакт-
ные кольца соответственно; 5 - термопара; 6 — полость высокого давления 7 8
уплотняющие резиновые кольца, 9 холодильник
при атмосферном давлении (что невозможно сделать в других
уплотнениях);
благодаря малым протечкам и малой ширине уплотняющего
зазора уплотнение менее подвержено эрозионному и абразивному
износу;
уплотнение по конструкции проще гидростатического. При
его изготовлении нет особых технологических трудностей (кроме
97
7-173
обработки высокотвердых материалов трущихся элементов, но
эта особенность присуща и гидростатическим уплотнениям);
по мере выработки ресурса уплотнение меняет свои характе-
ристики постепенно, следовательно, катастрофическо! о раскры-
тия уплотняющего стыка не происходит. Данное обстоятельство,
а также малые протечки позволяют отказаться от концевой
запирающей ступени
Эксперименты подтвердили возможность создания торцового
гидродинамического уплотнения, длительно работающего при
перепаде давления до 10 МПа с протечками 1 —10 л/ч. Износ
при этом не превышает 3—4 мкм за несколько тысяч часов
работы. С учетом изложенного при конструировании такого
уплотнения для ГЦН реактора РБМК было принято двойное
торцовое уплотнение (рис 3 34) [45]. В насос и наружу дав-
ление срабатывается на одной ступени, каждая из которых спо-
собна работать при перепаде от 0 до 10 МПа. Запирающая
вода при давлении 9 МПа подается в полость высокого дав-
ления Часть ее через нижнюю (контурную) ступень проходит в
насос, а другая часть через верхнюю (атмосферную) сливается
в специальную емкость. Контактные кольца 3 и 4, образующие
уплотняющий стык, выполнены из силицированного |рафита. Для
обеспечения требуемого температурного режима в корпус уплот-
нения встроены два холодильника 7 и 9. Один из них отводит
тепло, идущее от основного контура по валу насоса, а второй —
возникающее в трущихся элементах уплотнения Конструкция
уплотнения выполнена таким образом, что при прекращении
подачи уплотняющей воды оно автоматически переходит в режим
работы на контурной воде. Мощности встроенных холодиль-
ников в этом случае достаточно для поддержания температуры
уплотнения в заданных пределах, поэтому время работы ГЦН
в таком режиме неограниченно Уплотнение собирается в кор-
пусе 2, и монтаж его в ГЦН осуществляется единым блоком, что
дает возможность оперативно проводить замену или ремонт
уплотнения (рис 3 35). Кроме того, блок отдельно можно испы-
тать па стенде, чтобы убедиться в его исправности *.
Ниже приводятся некоторые рекомендации, которые полезно
учитывать при проектировании гидродинамических уплотнений
с минимальными протечками.
1 Необходим самый тщательный анализ напряженного состо-
яния уплотняющих и примыкающих к ним элементов конструк-
ции, их термических деформаций и режимов работы уплотнения
в целях сохранения уплотняющих поверхностей плоскими и
параллельными. При этом надо иметь в виду, что значительные
удельные нагрузки в зоне трения при малых протечках через
уплотняющий стык приводят к большой тепловой напряженности
* Схема питания этого уплотнения рассмотрена в гл. 4.
»ис. 3.35. Общий вид блока торцового уплотнения вала насоса реактора
’БМК-1000
элементов уплотнения
2. Концепция нормально изнашиваемых торцовых механи-
ческих уплотнений, применяемая при низких давлениях, в данном
случае неприемлема. В условиях высоких давлений износ резко
меняет характеристики уплотнения и может быстро привести
к его разрушению. Поэтому надо добиваться практически нуле-
вого износа, предъявляя высокие требования по износостойкости
к материалам трущихся элементов (что, естественно, затрудняет
их выбор).
3. Желательно иметь минимально возможную силу трения
в уплотняющем стыке, так как ее рост ведет к повышенным
потерям мощности на трение. Однако обстоятельство сущест-
венно лишь для маломощных насосов.
3.2.4. КОМБИНИРОВАННЫЕ УПЛОТНЕНИЯ
Описанные выше уплотнения могут применяться и совместно
з различных комбинациях Так, в гидростатическом уплотнении
ГЦН фирмы ,,Alstrem“ (рис 3.33) в качестве замыкающей кон-
цевой ступени используется гидродинамическое торцовое уплот-
99
Рис. 3.36. Схема уплотнения вала насоса реактора ВВЭР-1000:
1 — концевая ступень, 2 — делительное устройство; 3 — вторая 1 ндростатическая ступень
основного уплотнения; 4 — первая гидростатическая ступень основного уплотнения.
5 — контурная ступень
пение. Эта ступень, работающая при перепаде давления 0,5 —
1 МПа, может воспринимать и полное давление запирающей
воды кратковременно при работе ГЦН, и длительно при стоянке
насоса (например, при гидроиспытаниях насоса и его систем).
Неподвижное кольцо 8 уплотнения изготовлено из нержавеющей
стали с напылением оксида хрома. На его поверхности имеется
двенадцать серповидных канавок шириной 2,5 и глубиной 2 мм.
Подвижное графитовое кольцо 7 плотно посажено в аксиально
подвижную обойму 6, которая прижимается к неподвижному
кольцу десятью пружинами 5 диаметром 7 и длиной 55 мм.
Уплотнение обоймы по внутреннему диаметру осуществляется
юо
рис 3 37 Уплотнение вала насоса
ГЦН 317 реактора ВВЭР 440:
/ — корпус нижнего радиального Подшнп
ника; 2 — радиальный подшипник; 3 —
корпус уплотнения; 7 разделительная
ступень уплотнения; 5 — кольцо; 6
втулка; 7 вал; 8 — концевая ступень
уплотнения, 9 резиновая прокладка;
10—пружины; II— корпус статорного
алемента; 12 статорный элемент; 13 —
роторный элемент /7 /5 — основные
дросселирхюшие ступени гидростатическо-
го тина 16 — установочное кольцо
резиновыми кольцами 9 диаметром 5 мм. Показательна в данном
случае и конструкция уплотнения ГЦН, спроектированного во
ВНИИАЭН (рис. 3.36). В нем вместе с основным двухступен-
чатым гидростатическим уплотнением и концевой гидродинами-
ческой ступенью / встроена контурная ступень 5 с плавающими
кольцами [34].
Механическое комбинированное уплотнение вала насоса
ГЦН-317 (рис. 3.37) представляет собой блок, состоящий из
корпуса 3, который объединен с корпусом нижнего радиального
подшипника /, двух основных дросселирующих ступеней гидро-
статического типа 14, 15, разделительной ступени торцового
типа 8 и радиального подшипника 2.
Основные дросселирующие ступени уплотнения гидростати-
ческого типа одинаковы и состоят из двух основных элементов:
статорной с невращаюшимся элементом уплотнения и роторной
с вращающимся. Статорный элемент 12 может перемещаться
по оси и поджиматься к роторному элементу 13 пружинами 10.
Ограничитель удерживает этот элемент от вращения Для устра-
ни
нения перетечек волы по зазору между корпусом и статорным
элементом установлена резиновая прокладка 9. Статорный эле
мент состоит из корпуса //, в который вставлено кольцо и;
силицированного графита, удерживающееся в корпусе уста но
вочным кольцом 16. Уплотнение кольца из силицированного гра
фита в корпусе осуществляется резиновым кольцом. Опорные
торцовые поверхности кольца и корпуса взаимно притираются
Роторный элемент состоит из корпуса 14, на наружной поверх-
ности которого установлена сетка, выполняющая функции
фильтра. В корпус вставлено кольцо из силицированного гра
фита, которое удерживается от выпадения при сборке и ра
борке установочным кольцом. Уплотнение кольца из силиц
роваиного графита в корпусе осуществляется резиновым коль
цом.
Стыковочные торцовые поверхности корпуса взаимно прити
раются. На торцовой поверхности кольца выполнены по окруж
ности четыре канавки с четырьмя отверстиями, выходящими
на наружную цилиндрическую поверхность При подаче запира-
ющей воды в уплотнение она проходит через жиклеры в канавки
на торцовой поверхности кольца и отжимает статорный элемент
уплотнения на ширину рабочего зазора (10 мкм), обеспечивая
смачивание рабочих поверхностей и протечку запирающей вод1
через зазор. Отжатие статорного элемента происходит при дав
лении 1,5—2 МПа. Разделительная ступень уплотнения 4, так же
как и гидростатические ступени, состоит из статорного и ротор
ного элементов, уплотнительного кольца и пружин. Различие
состоит в том, что статорный элемент разделительной ступени
находится в непосредственном контакте с роторным элементом.
Для обеспечения смачивания трущихся поверхностей рабочий
поясок кольца выполнен в виде эллипса При такой конструк-
ции уплотнения при перепаде давления до 2 МПа протечка
запирающей воды в контур не превышает 200 л/ч. Концевая
ступень уплотнения 8 также состоит из корпуса, статорного и
роторного элементов, пружин и уплотняющего кольца. Па всех
режимах работы уплотнения статорный элемент находится в
непосредственном контакте с роторным элементом уплотнения
При нормальной работе насоса (Т = 250 С, р= 14 МПа) и дав
лении гидроиспытании (р= 19,5 МПа) протечка через концевую
ступень не превышает 50 л/ч.
Комбинированным можно считать и первоначальный вари-
ант уплотнения ГЦН реактора РБМК (рис. 3.31), в котором
концевое торцовое уплотнение 8 использовано для создания под-
пора па сливе из основного уплотнения с плавающими коль-
цами. Все эти конструкции, естественно, сочетают в себе досто-
инства и недостатки входящих в них типов уплотнений, и выбор
определенной комбинации в каждом случае обусловлен кон-
кретной задачей, которая ставилась перед проектантами.
102
3.2.5. УПЛОТНЕНИЕ ВАЛА ГЦН ДЛЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
Назначение уплотнения в насосах для жидкого металла сво-
ится к герметизации газового объема. При избыточном дав-
лении инертного газа уплотнение должно предотвратить утечки
газа в окружающее помещение, а при разрежении в газовом
объеме—исключить натекание атмосферного воздуха в полость
насоса Оно должно обеспечить вакуумирование контура перед
заполнением его жидким металлом. На рис. 3.38 показано воз-
можное место расположения уплотнения вала в насосе. Из ри-
сунка видно, что можно уплотнять и непосредственно металл.
Известно, что сальниковые и манжетные уплотнения при сопри-
косновении с металлом при температуре 350° С быстро выходят
из строя. Исключение составляют медные и никелевые шнуры,
<огда их используют в качестве уплотняющей набивки, но и они
обеспечивают только кратковременную работу вследствие повы-
шенного износа при трении о вращающийся вал [8, гл. 2]. По-
этому чаще применяется уплотнение с застывшим слоем металла
вокруг вала — так называемое «замерзающее» уплотнение. На
Рис. 3.38. Схема расположении уплотнения вала в насосах для жидкого металла
при уплотнении ио газу (а) и по металлу (б. в).
1 — гидравлическая часть; 2 — узел уплотнения; 3 — приводной электродвигатель, 4 —
вал насоса; 5 — газовая подушка; 6 холодильник; 7 — замерзающее уплотнение;
8 — жидкий металл
103
Рис 3.39. Схема замер-
зающего уплотнении:
/ — втулка корпуса; 2
накидная гайка. 3 холо
днльник; 4 — слой металла;
5 — жидкий металл, 6
вал
рис. 3.39 приведены конструкция замерзающего уплотнения и
распределение «замороженного» металла в зазоре. Между вра-
щающимся валом 6 и корпусом замерзающего уплотнения 1
образуется застывший слои металла 4, надежно герметизирую-
щий внутреннюю полость насоса и препятствующий вытеканию
металла из него. За счет мощности трения и тепла, передава-
емого по валу, вокруг него создается весьма тонкая пленка
жидкого металла, которая в виде «чулка» выдавливается вдоль
вала наружу, где застывает и разрушается. Протечки металла
вследствие этого незначительны. Для уменьшения температурных
напряжений полость охлаждения выполнена в отдельном узле —
холодильнике 3, который с помощью накидной гайки 2 натягива-
ется на внешнюю коническую поверхность втулки /, что улуч-
шает теплопередачу по сравнению с теплопередачей при посадке
на цилиндрическую поверхность. Выбор длины охлаждаемого
участка / зависит от перепада давления на уплотнении. Прибли-
женно минимальную длину охлаждаемого участка можно опре-
делить из выражения
/ = ЗбДр/т, (3.2)
где б — радиальный зазор между втулкой и валом; Ар - перепад
давления на уплотнении при вращении вала; т — напряжение
среза застывшего металла.
Момент Л1О, необходимый для «срыва» замерзающего уплот-
нения при трогании вала, с достаточной для практических целей
точностью можно определить из выражения
М0 = 2л/?2б.\р, (3.3)
где R — радиус вала, которое получено при вполне реальном
предположении, что длина затвердевшего слоя металла в уплот-
нении составляет 2/3 длины уплотнения.
104
При вращении вала за счет дополнительного выделяющегося
в уплотнении тепла граница зоны затвердевания несколько сме-
щается к внешнему краю охлаждаемого участка (к сечению
I-D.
Большим преимуществом замерзающего уплотнения является
возможность создать насос с малой консолью вала при прак-
тически полном отсутствии протечек металла, что упрощает сос-
тав оборудования на установке, в которой применен этот насос
Надежная работа уплотнения обеспечивается бесперебойной
подачей охлаждающей жидкости. Первоначально замораживание
металла проводится при остановленном насосе в процессе его
заполнения. Если при работе насоса из-за прекращения подачи
охлаждающей жидкости замерзающее уплотнение «разморо-
зится», то вновь заморозить его подачей охлаждающей жидкости
без остановки насоса, как правило, не удается, так как с проте-
кающим металлом подводится значительное количество тепла.
Поэтому в случае «размораживания» уплотнения насос следует
остановить и прекратить утечку металла с помощью специаль-
ного стояночного уплотнения, герметично закрывающего щель
при остановленном насосе, и только после этого восстановить
замерзающее уплотнение, открыть стояночное уплотнение и
включить насос в работу
Замерзающее уплотнение встречается в насосах для ЯЭУ,
например в установке SRE—РЕР (США), но необходимо отме-
тить два его существенных недостатка:
не абсолютная герметичность: во время работы через зазор
между валом и втулкой постоянно происходит утечка в виде
«чулка» застывшего металла вследствие перепада давления по
уплотнению;
надежность уплотнения полностью определяется надежностью
системы охлаждения уплотнения.
При проектировании этого уплотнения нужно решать и дру-
гие проблемы, а именно:
электропривод должен обладать большим пусковым моментом
для обеспечения пуска насоса с замороженным валом,
необходимо предотвратить опасность задирания вала при по-
падании в зазор твердых оксидов металла или других частиц;
при нарушении плотности холодильника уплотнения возможно
попадание в контур охлаждающей жидкости;
для охлаждения замерзающего уплотнения в случае исполь-
зования натриевого или натрий-калиевого теплоносителя необ-
ходимо использовать среду, не взаимодействующую с металлом
(вода исключается), а это предполагает уже трехконтурную
схему охлаждения.
Во всех насосах со свободным уровнем металла инертный
газ уплотняется с помощью торцового уплотнения гидродинами-
ческого типа. Простейшая конструкция двойного торцового
105
Рис. 3 40. Конструкция уплотнения вала по газу (вариант 1)
I — нижний и верхний фланцы 2— диафра1ма. 3 обойма 4 пружина 5 — вал
6 опорный писк; 3 уплотнительные кольца; 9 — корпус
уплотнения вала по газу (УВГ) с невращающимися аксиально-
подвижными узлами показана на рис 3.40 На валу 5 непод-
вижно установлен опорный диск 6 (жесткий элемент), с которым
соприкасаются уплотнительные кольца 8. Каждое кольцо под-
жимается несколькими цилиндрическими пружинами 4. Измене-
ние нагрузки на парах трения осуществляется изменением силы
сжатия пружин Уплотнительные кольца крепятся в металличе-
ской обойме 3 и за счет резиновых диафрагм 2 образуют под-
вижную в осевом направлении систему. Корпус 9 совместно с
фланцами / и 7 образует масляную полость Б, которая отделя-
ется от газовой полости А и атмосферы В парами трения
Чтобы активный газ прошел через уплотнение, ему необходимо
миновать две пары трения и масляную полость между ними.
Давление масла в полости Б поддерживается равным сумме
давлении газа в насосе и столба масла (несколько метров)
Протечки масла через верхнюю пару трения (атмосферную)
сливаются в негерметичныи бачок, а через нижнюю (контурную)
пару — в герметичный. Тепло может сниматься встроенным хо-
лодильником или циркуляцией масла через вынесенный холо-
дильник.
На рис. 3.41 приведена конструкция с вращающимися акси-
ально-подвижными узлами. Она отличается от предыдущей тем,
что в нижнем 1 и верхнем 7 приварочных фланцах неподвижно
закреплены графитовые кольца 6 и 10. Стальные кольца 5 и 9,
106
Выход ох
лажда^~
ющей
воды 2
щей.
воды
8
Слив
утечек
Вход ох -
Подвод
масла
Рис 3.41. Конструкция уплотнения вала по газ\ (вариант II)
/, 7 нижний и верхний фланцы- 2 тиафрагма 3 — холодильник; 4 — вращающийся
опорный диск. 5 9 верхнее и нижнее подвижные кольца. 6 10 — верхнее и нижнее
неподвижные кольца. 8 корпус
имеющие подвижность в аксиальном направлении, закреплены в
диске 4, который вращается вместе с валом Уплотнение вала
по газу для натриевых насосов так же, как и торцовые уплот-
нения для водяных ГЦН, проектируют, принимая во внимание
прежде всего коэффициент нагруженпости k. При уменьшении
коэффициента повышается сопротивляемость термической дефор-
мации, однако увеличивается опасность раскрытия стыка уплот-
няющих колец.
Нормальным режимом работы торцового УВГ большинство
специалистов считают полужидкостное трение. Однако трудно
провести границу между трением жидкостным и полужидкост-
пым, когда уплотнение имеет малую протечку, а уплотнительная
среда — большую вязкость. Толщина смазочной пленки от 3 до
10 мкм обеспечивает полное несоприкосновение поверхностей
скольжения. Как указывалось выше, учет значения и распреде-
ления давления в зазоре чрезвычайно важен при проектировании
уплотнения На основании имеющихся опытных данных для
уплотнения, работающего на масле, можно рекомендовать
k = 0.75.
Статический расчет торцовых УВ1 сводится к анализу опре-
деляющих конструкционных параметров проектируемого уплот-
107
нения. При этом стремятся выбрать такие их значения, которые
укладывались бы в пределы, характерные для уже хорошо заре-
комендовавших себя образцов
Изображенная на рис. 3.41 конструкция была принята за
основу при разработке УВГ для насосов реакторов БОР-60,
БН-350 и БН-600, причем для насосов реакторов БН-350 и
БН-600 она взаимозаменяема. Материал пар трения: графит
2П-1000 (неподвижные кольца) — азотированная сталь
38ХМЮА (кольца, вращающиеся с валом). Сталь азотирована
на глубину от 0,4 до 0,6 мм с твердостью верхнего слоя Н₽СЭ57.
Поверхность графитовых колец, кроме плоскости контакта,
омеднена с последующим лужением в целях исключения утечки
масла через поры графита. Удельная нагрузка на пару трения
составляет 0,25 МПа Промежуточная камера между парами
трения заполняется маслом, образующим масляный затвор.
Суммарные протечки масла через обе трущиеся поверхности нс
превышают 30 см /ч Подпитка маслом обеспечивается бачком-
питателем Тепло в масляном уплотнении снимается водяным
холодильником, встроенным в его корпус. Уплотнение выполнено
в виде единого блока, устанавливаемого на вал насоса
Эксплуатация на объектах этих уплотнений показала их до-
статочно высокую надежность и долговечность Тем не менее в
этой конструкции обнаружился ряд недостатков Прежде всего
это зависимость ресурса уплотнения от срока службы резиновой
манжеты Кроме того, прочностью манжеты ограничивается мак-
симальное рабочее давление в уплотнении (до 0,25 МПа). Необ-
ходимо отметить также возможность раскрытия одной из ступе-
ней, например, вследствие одностороннего перемещения вала
насоса (в статике) и соответственно перераспределения усилия
сжатия пружин между уплотняющими стыками.
Работоспособность УВГ зависит не только от хорошей сов-
местимости материалов трущейся пары и рационально выбран-
ных размеров для заданных параметров, но и от многих других,
так называемых «случайных», факторов Это, например, недо-
статочное обеспечение чистоты при сборке, возможные отклоне-
ния по допускам и др Поэтому при изготовлении серийных насо-
сов конструкционные и технологические мероприятия должны
быть продуманы таким образом, чтобы исключить влияние этих
«случайных» факторов
Более совершенной конструкцией уплотнения является УВГ
безманжетно«о типа, в котором функцию фигурной манжеты вы-
полняют прокладки круглого сечения из термостойкой резины,
а уплотнительные кольца изготовлены из силицированного гра-
фита. Такие уплотнения разработаны в последние годы для оте-
чественных натриевых насосов (табл. 3 3)
Большинство конструкций уплотнений зарубежных насосов
для жидкого металла не имеют принципиальных отличии от
108
I
2
3
4
Таблица 3.3
Характеристика безманжетных уплотнений БОР 60 БН 350, БН-600 БН 800. БН 1600
Тип уплотнения Двойное торцовое механическое
Уплотняемая среда Инертный газ
Запирающая среда Минеральное вакуумное масло
Давление уплотняемой среды, МПа 0—1 0 1 6 0-2 0
Диаметр уплотняемого вала, мм 120 170 250
Материал уплотняющих колец Силицированный графит
Размеры графитовых уплотняющих 0 I80X 025ОХ 034ОХ 028ОХ
колец, мм X 0I45X 18 0200X25 хзо
Средняя скорость скольжения, м/с 12,4 11.2 15,2
Ширина контакта уплотняющих колец, мм 6 6 6
Площадь поверхностною контакта. Усилие сжатия пружин 11 30 39 55
1 330 2 500 2 500
Среднее давление, создаваемое пружи нами на площади контакта, МПа 0,22 0 32 0.23
Коэффициент нагружснности k 0,84 0,83 0 67
Максимально допустимый ход вала насоса, мм 6 8 14
Расчетный ресурс, ч 30 000 30 000 30 000
Средняя величина протечек через сту- пень при максимальном давлении, см3/ч 5 8 15
Мощность, потребляемая уплотнением при максимальном давлении, кВт 5 7 15
Максимально допустимая температура в уплотнении С 90 90 120
рассмотренных. Можно, правда, отметить вязкостное уплотнение
типа V1SCOSEAL, повышенное внимание отработке которого
уделяет фирма NERATOOM [46, 47] На рис 3 42 показана
принципиальная схема вязкостного уплотнения
Его основным элементом является втулка 2, герметично за-
крепленная на валу насоса и имеющая две направленные на-
встречу друг другу винтовые нарезки 3. При вращении вала
Рис 3.42. Схема вязкостного
уплотнения
/ — корпус, 2— втулка вала; 3 —
винтовые нарезки; 4 — вал
109
Рис 3 43. Общий вид вязкостного уплотнения:
/ _ корпус; 2 - клнал для циркуляции масли. 3— гибкое крепление втулки, 4
но"ное уплотнение
втулка работает как винтовой насос, поэтому в заполненном
жидкостью (маслом) зазоре между втулкой и корпусом / возни-
кает перепад давления, препятствующий выходу уплотняемой
среды (газа) наружу На рис. 3 43 приведен вариант конструк-
ционного исполнения такою уплотнения Имеющиеся внутри кор-
пуса каналы 2 позволяют использовать возникающий перепад
давления масла для того, чтобы организовать его циркуляцию
и отвести выделяющееся в зазоре тепло через оребренный корпус
1 в окружающее пространство Гибкое крепление «У втулки поз-
воляет ей за счет гидродинамического эффекта компенсировать
биения вала и сохранять равномерным кольцевой зазор, что
повышает эффективность втулки как винтового насоса Кроме
того, в конструкции предусмотрено стояночное уплотнение 4,
автоматически закрывающееся при повышении дав пения под ним
при остановке насоса. Авторы этою уплотнения считают, что
оно имеет ряд неоспоримых достоинств — неограниченный срок
службы, так как нет контакта между рабочими поверхностями,
отсутствие протечек масла и, следовательно, обслуживающих
систем, простота и дешевизна конструкции В качестве слабою
места этого уплотнения можно отметить гибкое крепление втулки,
выполненное из радиационно-стойкого резииоподобного мате-
110
риала. При длительной работе возможно появление усталостных
трешин и надрывов В дальнейшем намечено предусмотреть гиб-
кое крепление из металлических сильфонов, что значительно
повысит надежность уплотнения
Подводя итог изложенному, следует заметить, что в свое
время исследовались и другие типы уплотнении (электромагнит-
ные, газовые, центробежные и др.), которые позволяли обес-
печить герметичность насоса и использовать электродвигатель
стандартного типа Все они оказались непригодными по тем или
иным причинам при попытках применить их на насосах, находив-
шихся в эксплуатации на АЭС, хотя были получены обнадежи-
вающие результаты при стендовых испытаниях.
3.2.6. РЕМОНТНОЕ УПЛОТНЕНИЕ
Ремонтное уплотнение предназначено для герметизации ра-
бочей полости остановленного насоса при устранении неисправ
ностей или замене основного уплотнения, а также верхнего ра-
диально-осевого подшипника. Ремонтные уплотнения являются
обязательными для жидкометаллических насосов и очень редко
встречаются в конструкциях ГЦН для воды. С помощью ре-
монтного уплотнения отключается верхняя часть, например,
натриевого насоса при вакуумировании контура, предохраняя
тем самым последний от попадания масла На рис 3 25 показано
уплотнение насоса реактора PFR, состоящее из козырька //,
закрепленного на валу насоса, и резиновой прокладки 10 на
торце неподвижного корпуса. При стравливании давления масла
из верхнего подшипникового узла вал насоса опускается и козы-
рек внутренним торцом ложится на резиновую прокладку, запи-
рая таким образом газовую полость.
Более совершенное уплотнение (однотипное для всех устано-
7
Рис 3 44 Конструкция ремонтного уплотнения натриевого насоса
1 — корпус. 2 — пружина; 3 фторопластовое кольцо; 4 — гайка 5 — фланец 6
сильфон, 7 — полость насоса
111
Рис. 3.45. Конструкция ремонтного уплотнения насоса ЦВМ-15 для реактора
АСТ-500:
/ — гайка, 2 — микровыключатель; 3 гяга ручного привода; 4 — рычаг ручного
привода 5 — балансир; 6 затвор 7 — направляющая 8 — фланец; 9 — вг\ тка; 10 —
рениновая прокладка 11 — технологический упор
вок) было разработано для отечественных насосов, перекачива-
ющих натрий (рис. 3.44). Уплотняющим элементом данного
уплотнения является фторопластовое кольцо <?, установленное во
фланце 5. Осевое перемещение фланца при включении уплотне-
ния осуществляется подачей воздуха под давлением во внутрен-
нюю полость сильфонов 6. При этом сильфоны растягиваются,
преодолевая силу пружин 2, фланец с прокладкой поджимается
к выступу, герметизируя полость насоса При снятии давления
пружины открывают ремонтное уплотнение.
Описанная конструкция ремонтного уплотнения, конечно,
нс единственно возможная Например, для насоса станции тепло-
снабжения АСТ-500 предложено уплотнение с механическим
приводом (рис, 3.45). Возможно уплотнение втулочное, меха-
ническое, с ручным приводом и встроенными технологическими
упорами //. Технологические упоры предназначены для обеспече-
ния закрепления ротора при сборке выемной части и фиксации
вала при заменах верхнего подшипникового узла и тор-
цовою уплотнения вала. Ремонтное уплотнение состоит из корпу-
са (сталь 20X13), затвора (сталь 20X13), деталей нажимного
устройства и ручного привода. Затвор перемещается в осевом
направлении в направляющей втулке. В нижней части затвора
закреплена плоская прокладка из теплостойкой резины Поверх-
ности трения имеют твердое покрытие (хромированы)
Тяга ручного привода совершает возвратно-поступательное
движение (при вращении гайки /) и рычагом поднимает и
опускает балансир, связанный с затвором. Затвор резиновой
112
прокладкой упирается в буртик вала и таким образом отсекает
контур. Для исключения перерезания плоской прокладки затвор
имеет буртик А. который упирается в ответный буртик вала
(при этом прокладка сжимается на 1,5—2 мм).
Известны [48] так называемые надувные манжетные ремонт-
ные уплотнения вала для ГЦН, перекачивающих воду. На
рис 3.46 изображено такое уплотнение, располагаемое выше ос-
новного уплотнения вала. Предназначено оно для предотвра-
щения выхода теплоносителя наружу в случае отказа основного
Рис 3.46 Схема надувного ремонтного
уплотнения
/, 4 фланцы; 2 — манжета; 3 — камера
Рис. 3.47. Схема автоматического
ремонтного уплотнения:
1 — дренажный кран; 2 шток сервопри-
вода; 3 — соленоид 4 ресивер. 5 —
уплотняющий диск, 6 - - основное меха ни
чес кое уплотнение
8-173
113
уплотнения и невозможности по какой-либо причине отключить
ГЦН от контура Уплотнение содержит П-образный в попереч-
ном сечении кольцевой эластичный элемент (манжету) 2, уста-
новленный между фланцами / и 4. В камеры 3 подается рабочая
среда (вода) под давлением, превышающим давление запира-
емой среды или равным ему При этом манжета плотно охва-
тывает вал, обеспечивая герметичность ГЦН. Утонения на
цилиндрических участках манжеты в области камер 3 позволяют
осуществить более податливую связь цилиндрической части
поверхности А с горизонтальными участками, обладающими зна-
чительной радиальной жесткостью, что в конечном счете обес-
печивает более надежный контакт поверхности А с валом. При
сбросе давления рабочей среды манжета возвращается в исход-
ное положение. Внутренняя поверхность А .манжеты выполнена
рифленой, чтобы уменьшить эффект «прилипания» к валу.
Достоинство этого уплотнения — возможность работы при
давлении, равном давлению запираемой среды, что позволяет
отказаться от специального источника давления, как это преду-
сматривается в уплотнениях подобного типа
Некоторые зарубежные фирмы также применяют в ГЦН для
воды ремонтное уплотнение, закрывающееся автоматически при
любой остановке насоса. Например, в одной из модификаций
насоса американской фирмы „Peerless" [16] ремонтное уплотне-
ние (рис. 3.47) приводится в действие сжатым воздухом. Воз-
душные сервоприводы 2 прижимают уплотняющий диск 5 к кор-
пусу и отключают дренаж, прекращая утечку из механического
уплотнения Чтобы избежать контакта диска с корпусом, во вре-
мя выбега насоса используется реле задержки времени, которое
срабатывает после выбега насоса
3.3. ОБРАТНЫЕ КЛАПАНЫ
Работа ГЦН первого контура на общий коллектор требует
наличия в конструкции обратного клапана Обратный клапан
обеспечивает поток в прямом направлении (клапан открыт при
работе насоса) и предотвращает в противоположном направлении
(клапан закрывается при остановке одного и работе остальных
насосов). Кроме того, обратный клапан должен допускать режим
естественной циркуляции: при отключении всех параллельно
работающих ГЦН клапаны не должны останавливать цирку-
ляцию теплоносителя, осуществляемую за счет конвекции.
Известны два типа обратных клапанов:
нормально закрытый обратный клапан, в котором при от-
сутствии принудительной циркуляции запорный орган остается
закрытым под действием собственной массы (рис 3.48) или
пружины Открывается он прямым потоком жидкости, преодо-
левающим сопротивление запорного органа, и закрывается посте-
114
рис. 3.48 Нормально закрытый обраг
ный клапан
/_корпус. 2 — заслонка
пенно с уменьшением подъем-
ной силы прямого потока до
нуля;
нормально открытый обрат-
ный клапан, в котором при от-
сутствии принудительной цир-
куляции запорный орган оста-
ется открытым на все проходное сечение или на часть его
под действием момента от массы запорного органа (рис. 3.49),
сжатой пружины и т п. Закрывается он нарастающим обратным
потоком, преодолевающим сопротивление этого момента, а откры-
вается под действием прямого потока через клапан или под дейст-
вием этого момента при прекращении принудительной циркуля-
ции в общей трассе.
Главной проблемой при работе обратного клапана является
исключение гидравлического удара при его закрытии, который
связан с быстрой остановкой потока жидкости заслонкой (за-
порным органом клапана) Скачок давления жидкости, возника-
ющий в этом случае, пропорционален ускорению замедления
потока и может стать непосредственной причиной выхода из
строя внутриреакторных устройств и самого ГЦН. Гидравличе-
ский удар практически исключается, если закрытие заслон-
ки происходит при скорости потока, близкой к нулевому зна-
чению
Нормально закрытый обратный клапан снижает до минимума
гидравлический удар и предотвращает обратный расход через
остановившийся ГЦН, закрытие заслонки которого происходит
в течение времени, необходимого для уменьшения до нуля пря-
мого потока жидкости через клапан, затормаживаемого противо-
давлением со стороны оставшихся в работе насосов Однако
нормально закрытый клапан не обеспечивает режим естествен-
ной циркуляции, т. е. закрывается при прекращении принуди-
тельной циркуляции.
Нормально открытый обратный клапан обеспечивает наилуч-
шие условия для осуществления естественной циркуляции. Глав-
ным недостатком нормально открытого клапана является труд-
ность исключения гидравлическою удара, так как закрытие сто
заслонки происходит под действием нарастающей скорости по-
тока жидкости обратною направления. Для уменьшения гидро-
удара в таких клапанах применяется торможение движения за-
слонки клапана, но при этом невозможно полностью исключить
гидроудар Кроме того, торможение движения заслонки приво-
дит к дополнительному росту обратного расхода (в сравнении
с расходом, закрывающим свободноподвижную заслонку кла-
Ф219
I
Выход
жидкости
Рис. 3 49. Нормально открытый обратный клапан
1 — корпус; 2 — заслонка
пана), что нежелательно в большинстве энергетических уста-
новок
Таким образом, из двух типов обратных клапанов нормально
закрытый клапан является наиболее приемлемым для АЭС, так
как снижает возможность гидроудара в трубопроводах при ос-
тановке любого из ГЦН При остановке всех параллельно рабо-
тающих насосов для обеспечения естественной циркуляции в
трассе клапаны должны иметь принудительные приводы на
открытие.
Выбор типа обратного клапана ГЦН основывается на со-
ображениях обеспечения безопасной эксплуатации АЭС, а также
достижения наилучших энергетических характеристик самого
насоса Конструкция клапана, если он встроен в ГЦН, влияет
Н6
Вход
Рис. 3.50. Обратный клапан
реактора БН-350:
/ — крышка. 2—накидной
фланец; 3 — корпус; 4 — выем
пая часть; 5 биологическая
защита 6 — демпфирующая
камера; 7 — заслонка; 8 —
упор
117
на его массогабаритные показатели, которые для установок
большой мощности являются одними из определяющих.
Рассмотрим наиболее характерные конструкции обратных
клапанов ГЦН первого контура жидкометаллических ЯЭУ.
Среди них можно выделить бесприводные, действующие от по-
тока перекачиваемой жидкости, и с управлением от силового
привода
Бесприводной нормально открытый обратный клапан в виде
поворотной заслонки. На АЭС БН-350 он установлен не в на-
сосе, а на горизонтальном участке напорного трубопровода
(рис. 3. 50) и представляет собой заслонку, снабженную демп-
фирующим устройством и отсекающую неработающую петлю
от реактора при внезапной остановке ГЦН Клапан должен
закрываться быстро, чтобы не допустить обратного расхода
теплоносителя в петле. Значительный обратный расход в петле
может привести к уменьшению расхода через активную зону
реактора и заливке ГЦН выше аварийного уровня. Клапан
состоит из следующих основных узлов: корпуса 3, выемной части
4, накидного фланца 2 и биологической защиты 5. Корпус кла-
пана является опорой выемной части и соединяется с пей пос-
редством накидного фланца и шпилек. Выемная часть клапана
состоит из крышки /, заслонки 7 (тарелки с рычагом) и демп-
фирующей камерь! 6. Поворот заслонки ограничивается сед-
лом клапана (положение «закрыто») и упорами 8 (положение
«открыто»), имеющимися на корпусе клапана и на заслонке
Нормальное положение заслонки без принудительной циркуля-
ции теплоносителя — открыта на угол 21°, что обеспечивает
минимальное сопротивление при естественной циркуляции теп-
лоносителя. Угол создается наличием косого среза седла кла-
пана на 9° и угла, равного 12 , образуемого плоскостью заслонки
с вертикалью в свободном положении, что соответствует рас-
пределению масс заслонки и демпфера относительно оси вра-
щения
Во время работы ГЦН заслонка отжимается потоком тепло-
носителя до соприкосновения с упором на корпусе клапана. При
остановке ГЦН в напорном трубопроводе возникает обратный
поток теплоносителя, который перемещает заслонку до упора
в седло клапана При закрытии и открытии клапана торможение
заслонки происходит за счет перемещения верхнего рычага в демп-
фирующей камере.
Для уменьшения возможности заклинивания подвижных час-
тей клапана поворот заслонки происходит на плавающей оси,
которая сама может поворачиваться в подшипниках корпуса
Цилиндрические поверхности контакта корпуса, оси и рычага
клапана имеют наплавку из твердого сплава ВЗК, что значи-
тельно повышает их надежность и долговечность.
В насосах реактора EFAPP обратный клапан аналогичного
П8
типа установлен непосредственно в ГЦН (см. рис. 5.38). Клапан
имеет основной массивный диск с противовесом, изготовленный
из аустенитной стали со стеллитовой наплавкой по контакти-
рующим пояскам.
При закрытии клапана удар приходится не на седло, а на
специально установленный демпфер Демпфер представляет со-
бой цилиндр, в котором находится поршень. Под действием
обратного потока клапан закрывается и своим противовесом
ударяется в поршень демпфера Поршень начинает вытеснять
жидкий натрий из цилиндра через специальные отверстия. Этим
достигается плавность закрытия клапана. Клапан спроектирован
таким образом, что он может находиться в открытом положе-
нии (составлять 120° с горизонтальной линией) при всех от-
ключенных ГЦН, что позволяет обеспечить естественную цир-
куляцию.
В клапане предусмотрены тарельчатые пружины с поворотны-
ми стержнями, которые уменьшили время закрытия клапана от
120 до 12°. В дальнейшем демпфер обеспечивал плавное закры-
тие от 12 до упора.
Обратный клапан крепится болтами в проточной части
ГЦН и легко вынимается для осмотра и ремонта вместе
с ГЦН.
Вариант бесприводного нормально закрытого обратного
клапана типа поворотной заслонки применительно к ГЦН реак-
тора БН-600 показан на рис. 3 51. Гидравлическое сопротив-
ление клапана при полностью открытой заслонке значительно
больше, чем, например, у запорной арматуры того же диаметра.
Время закрытия заслонки значительно превышает возможное
время опрокидывания циркуляции
Рис. 3 51 Нормально закрытый обратный клапан нососов БН 600 (вариант).
/ — Напорный коллектор; 2 — заслонка; 3 — противовес
119
Бесприводной обратный клапан поплавкового типа приме-
нен в насосе реактора «Rapsodie» (см. рис. 5. 42) Он представляет
собой герметичную емкость (поплавок), разметенную в на-
порном трубопроводе ГЦН и связанную с запирающим диском,
перекрывающим напорный трубопровод при возникновении об-
ратного потока через петлю. Применение обратного клапана
этого типа связано с увеличением диаметра проточной части
и длины насоса. Установка клапана в потоке теплоносителя
увеличивает гидравлическое сопротивление отводящего канала
проточной части, что снижает КПД насоса.
В отношении обеспечения безопасной эксплуатации уста-
новки клапан недостаточно надежен: отсутствует возможность
воздействия па клапан при его заклинивании, нет фиксации
положения при разгерметизации поплавка.
Кроме указанных ГЦН, клапан поплавкового типа не нашел
применения в ГЦН.
Обратный клапан в виде поворотной заслонки, устанавливае-
мой в напорном коллекторе насоса, с управлением от силового
привода применен в 1 ЦН реактора БН 600 (см. рис. 5 29)
Заслонка клапана 1 (Ду 850) соединена с гидравлическим
приводом 14. При остановке одного из трех работающих ГЦН
клапан отсекает его на выходе от остальных до возникновения
потока натрия обратного направления. Время перемещения
цилиндра гидропривода при автоматическом закрытии 2,5—3 с,
а при открытии 25 с. Усилие, развиваемое гидроприводом при
закрытии клапана, порядка 30 000 Н, а при открытии 15 000 Н.
Клапан обладает значительным гидравлическим сопротивлением
Приводной обратный клапан в виде кольцевой обечайки
(обтюратора), перекрывающий выход из рабочего колеса, ис-
пользован в ГЦН первого контура реактора АЭС «Super Phe-
nix» (см. рис. 5.44). Обечайка клапана 2 перемещается через
тяги от силового гидропривода 5, установленного на крышке
выемной части ГЦН. В положении < «открыто» обечайка кла-
пана скрытгз в выгородке проточной части и не оказывает со-
противления потоку теплоносителя. Усилие от гидропривода
к обечайке передается через многозвенную систему, включающую
в себя тяги .малого диаметра, находящиеся в подвижном кон-
такте с корпусом. Надежность работы клапана в процессе
длительной эксплуатации зависит от целостности связи обечайки
с силовым приводом
Конструкция клапана, подобная рассмотренной, прорабо-
тана для ГЦН АЭС БН-1600 (см. рис. 8.21). Связь обечайки
с гидроприводом, который установлен на крышке биологической
защиты, осуществляется через стержневую силопередающую
конструкцию, включающую в себя опоры с трением скольжения.
В верхнем крайнем положении клапана («открыто») рабочая
часть обечайки находится в выгородке проточной части ГЦН
120
!
Рис 3.52. Обратный клапан ГЦН БН-1600 (вариант II).
/ — шпонка; 2 — корпус; 3 — обечайка, 4 — цилиндр 5 — ролик, 6 — привод; 7 — ради-
альные каналы
121
и не оказывает влияния на поток. Обечайка разгружена от
действия гидравлических сил благодаря равенству давлений
теплоносителя в полостях выгородки. В нижнем крайнем поло-
жении клапана («закрыто») рабочая часть обечайки перекры-
вает выход из рабочего колеса, а нижний торец ее прижимается
к плоскости. При этом на торец обечайки снизу вверх дейст-
вует выталкивающая сила, под действием которой тяги клапана
работают на сжатие, что для стержневой конструкции не
является оптимальной нагрузкой Закрытие клапана при рабо-
тающем на номинальных параметрах [ЦП связано с появлением
у обечайки крутящего момента, обусловленного трением потока
теплоносителя после рабочею колеса о внутреннюю поверхность
обечаики, что требует предусматривать в конструкции элемен-
ты для его восприятия.
Рассмотренная конструкция обратного клапана позволяет
уменьшить осевой размер ГЦН
Второй вариант конструкции обратного клапана для I ЦН
АЭС БН-1600 представлен на рис. 3.52. В целях исключения
недостатков предыдущей конструкции он выполнен по схеме
закрытия «снизу вверх», что удовлетворяет требованиям обес-
печения безопасности реактора, ибо при нарушении целостности
соединения обечайки 3 и привода 6 происходит автоматическое
(под действием силы тяжести) открытие клапана. Во избежание
ухудшения характеристик проточной части ГЦН из-за пересе-
чения потока перекачиваемой жидкости элементами привода
последние представляют собой специально спрофилированные
перемычки, между которыми образованы диффузорные по ходу
потока радиальные каналы 7. Можно полагать, что за счет
частичного преобразования динамической составляющей напора
колеса в статическую при прохождении диффузорных канатов
клапана произойдет незначительный прирост КПД насоса.
Конструкция обладает увеличенным крутящим моментом на
обечайке из-за поворота потока в диффузорных каналах. Для
восприятия крутящего момента и уменьшения усилия закрытия
клапан снабжен радиальными шпонками /, контактирующими
с корпусом через ролики В обоих положениях клапана он
полностью разгружен от осевых гидравлических усилии
В качестве третьего варианта можно рассмотреть обратный
клапан в виде бесприводного обтюратора (рис 3. 53) Он пред-
ставляет собой кольцевую заслонку 3, установленную коаксиаль-
но рабочему колесу. По наружному диаметру обтюратор нахо-
дится в направляющих корпуса проточной части Верхний то-
рец обтюратора через рычажную систему 2 ci язан с кольцевым
поршнем /. Нижний торец обтюратора снабжен специально
спрофилированным обтекателем, за счет давления потока на
который клапан удерживается в крайнем верхнем положении
при открытии При этом поршень, полость над которым свя-
122
Рис 3.53. Обратный клапан ГЦН БН-1600 (вариант III)
1 - поршень. 2 рычажная система; 3 — заслонка
зана со всасыванием ГЦН, а под ним — с напорным каналом,
находится в крайнем верхнем положении. При отключении ГЦН
за время падения его напора на выбеге обтюратор опускается
в крайнее нижнее положение. При подходе к нижней точке
движению обтюратора (через рычажную систему) препятствует
масса поршня, чем достигается постепенное закрытие клапана,
а следовательно, создаются предпосылки для исключения гид-
123
равлического удара в системе. При отключении всех ГЦН
установки поршень опускается вниз и через рычажную сис-
тему приподнимает обтюратор на некоторую высоту, обеспечивая
естественную циркуляцию теплоносителя в контуре.
Рассматривая конструкцию клапана с позиции обеспечения
безопасной эксплуатации установки, необходимо отмстить, что
теоретически она наиболее полно удовлетворяет этим требо-
ваниям. Надежность срабатывания клапана зависит только от
конструкции обечайки поршня диаметром более 1 м, которая
должна свободно под действием силы тяжести перемешаться
в кольцевой выточке корпуса, причем в подвижном контакте
присутствует трение скольжения. Это же относится и к обечайке
обтюратора.
Отметим также, что конструкция нс обеспечивает расхола-
живания при одном работающем ГЦН. Действительно, когда
один ГЦН находится в работе, обратный клапан насоса нера-
ботающей петли должен быть открыт. 11оток через неработаю-
щий ГЦН в этом случае имеет обратное направление — с напора
на всасывание, а профильный обтекатель обтюратора создает
подъемную силу, удерживающую его в положении «открыто»
только при прямом направлении потока. При этом, ввиду того,
что давление под поршнем соответствует давлению, создаваемо-
му работающим насосом, поршень поднимается вверх и не удержи-
вает обтюратор. Обратный клапан неработающего ГЦН оказы-
вается закрытым.
Глава 4
ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ
4.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Все многообразие конструкций ГЦН и их отдельных узлов можно свести
к сравнительно небольшому числу типовых конструкционных схем. Этим
и объясняется тот факт, что обслуживающие системы большинства ГЦН сходны
по функциональному назначению и структуре. Так. для ГЦН с уплотнением
вала характерно наличие следующих систем, смазки подшипников (масло-
систсмы). запирающей воды (питания уплотнения вала), питания гидростати-
ческого подшипника, разгрузки вала от осевых усилий. Герметичные ГЦН обыч-
но имеют системы охлаждения и газоудалення.
Можно выделить несколько наиболее распространенных структурных схем.
Система смазки, как правило, представляет собой замкнутый циркуляци-
онный контур, в состав которого входят емкость, маслонасосы, фильтры,
холодильники, трубопроводы с арматурой и приборы контроля параметров
рабочей среды.
Система запирающей воды также имеет насосы, устройство для очистки
воды от механических примесей (фильтр или гидроциклон), холодильники,
124
узел регулирования давления запирающей воды. Обычно предусматривается
также аварийное питание уплотнения вала на изучай выхода из строя ос
новнои системы. В аварийную системх часто включают аккумулирующие ем
кости (баллоны) с газовой подушкой, которая, выдавливая воду, обеспечи-
вает запирание уплотнения на время бездействия основных источников
питания.
В системе питания гидростатического подшипника в качестве рабочей
среды чаще всего используется перекачиваемая жидкость, отбираемая с напора
ГЦН и циркулирующая через ГСП под действием перепада давления между
всасыванием насоса и выходом из него Перед подачей в подшипник жидкость
может очищаться от механических примесей в гидроциклоне Для пуска ГЦН
в системе предусматривается подача жидкости от постороннего источника
В этом случае для выравнивания температур подаваемой среды и основного
контура циркуляции используется водоструйный насос (эжектор)
Система разгрузки ротора от осевых усилии служит для облегчения ус-
ловий работы (разгрузки) осевых подшипников ГЦН Система может быть
выполнена с использованием различных принципиальных решений (раз1р\зка
I идравлическая, электромагнитная и пр). Описания некоторых систем разгрузки,
а также других систем, обеспечивающих работу ГЦН (продувки, поддержания
уровня в баке, охлаждения подшипников и др ), приведены ниже
Но компоновочным решениям системы обслуживания ГЦН можно класси-
фицировать по характерным признакам. Система может быц либо автономной
(индивидуальной) для каждого ГЦН, либо обшей на все или часть насосов
данной установки Индивидуальные системы, в свою очередь, можно разделить
на встроенные, навешенные и вынесенные (распределенные).
Термин «встроенная» означает размещение системы в корпусе Г11Н и соз-
дание циркуляции рабочей среды в ней за счет вращения вала насоса Часть
оборудования системы (холодильники, фильтры, приборы контроля) может
располагаться снаружи корпуса насоса Система функционирует только при
работающих ГЦН
«Навешанная» система предполагает наличие вспомогательного насоса,
который вместе с остальным оборудованием располагается на корпусе насоса
или электродвигателя. Такая система требует разработки специального мало-
габаритного оборудования и несколько усложняет контроль за работой ГЦН
Наиболее проста и доступна для обслуживания система «вынесенная»,
которая располагается рядом с I ЦП или даже в специальном помещении и сое-
диняется с насосом трубопроводами. Наблюдается тенденция к возможно более
полному агрегатированию оборудования, т. е компоновка его в едином блоке.
Блочное исполнение вынесенной вспомогательной системы обладает весьма важ-
ным достоинством: блок монтируется на заводе-изготовителе е выполнением
необходимых требовании по чистоте, контролю на прочность и плотность Более
того, целесообразно и опробовать его в действии в заводских условиях. Таким
образом, на объект блок поставляется полностью в готовом для эксплуатации
виде и на месте монтажа остается только подсоединить к нему подводящие
и отводящие трубопроводы.
Вместе с тем нельзя нс отмстить, что применение индивидуального прин
ципа компоновки увеличивает стоимость насосного arpeiaTa, в которую вхо-
125
Рис 4 1 Подсоединение трубопроводов к баку
/ — обратный клапан 2 — перегородка: 3 отверстие для воздуха: 4 насос 5
трубопровод, б—камера всасывания; 7 — съемная крышка в воздушная пробка
9 отверстие для воздуха: 10— сифон; // — фильтр
дит стоимость всею оборудования системы Кроме того, затраты на обеду
живание многочисленных индивидуальных систем, естественно, выше, чем тако-
вые для системы, общей на все ГЦН установки
В качестве компромисса можно рекомендовать проектирование централи-
зованных обслуживающих систем на группу ГЦН (например, на два рядом
стоящих насоса или на несколько насосов расположенных по одну сторону
реактора).
При разработке оборудования системы полезно учитывать некоторые общие
рекомендации изложенные в |1]
Циркуляционный бак элемент, наиболее характерный для вынесенных сис-
тем,— желательно располагать рядом с вспомогательными насосами, чтобы
избежать большой протяженности трубопроводов Баки могут иметь любые
формы, но высокий бак предпочтительнее, так как в нем менее вероятно обра
зование завихрений у всасывающего патрубка вспомо! ательного насоса Раз-
мещение насоса около высокого бака обеспечивает положительный подпор
жидкости на всасывании и помогает предотвратить кавитацию Поскольку
вспомогательный насос периодически демонтируется для ревизии или замены,
компоновка оборудования должна обеспечивать этот демонтаж без опорожне-
ния циркуляционного бака В этом случае наиболее эффективным является
применение отсечной арматуры Арматуру необходимо устанавливать так, чтобы не
увеличивать габаритные размеры системы и исключать опорожнение бака при
демонтаже, например, обратного клапана (рис. 4.1. а). Рабочая жидкость после
обратного клапана 1 поступает первоначально в полость, отделенную пере
городков 2. а затем сливается на свободную поверхность в баке Избежать
сифонного эффекта при замене клапана можно, если в перегородке нредусмот
реть отверстие 3 для подсоса воздуха Таким образом, при демонтаже кла-
пана теряется только количество жидкости, находящейся за перегородкой бака
(у клапана). На рисунке 4 1 б показано, как устанавливается насос 4, чтобы
можно было отсоединить его без опорожнения бака Пуск заново установлен
ного насоса быстро перемещает жидкость по колену трубопровода 5. после
чего заполняется весь контур. Участок трубопровода можно разместить и внутри
бака (рис. 4. I.e). Камера всасывания 6 с фильтрующей решеткой имеет проб-
ку 8 для сообщения камеры с атмосферой Для осмотра и чистки решетки,
камеры без оп рожнения бака крышка 7 выполняется съемной.
126
При экспуатации системы, а также при заливке н нее рабочей жидкости
могут появляться загрязнения. Для удаления крупных инородных частиц из
системы на всасывающем трубопроводе устанавливаются фильтры. Чтобы
сделать конструкцию компактной, фильтры желательно выполнять как целое
с циркуляционным баком (рис. 4 1.г) В таком случае обслуживание фильтра
не потребует опорожнения бака, но камера фильтра, разумеется, должна быть
осушена па время осмотра Фильтр // бака выполнен заодно с самоотклка-
чающимся сифоном 10. в котором имеется отверстие 9 для подсоса воздуха
при опорожнении подводящего трубопровода Большинство же фильтров во время
обслуживания автоматически не отключаются Во избежание разрежения на
всасывании насосов фильтры применяются только с крупной ячейкой (для
<рубои очистки) Гели фильтр помещают в трубопроводе с внешней стороны
бака, то следует принять меры предосторожности от подсасывания воздуха.
Фильтр применяется с байпасными клапанами и приборами, которые измеряют
перепад давления па нем
В противоположность бытующему мнению циркуляционные баки не являются
аффективными охладителями (особенно в системах большой мощности). Поэ-
тому для охлаждения рабочей жидкости бак нс следует делать чрезмерно
большим, а разумно использовать встроенный или выносной теплообменник
В баке должна быть воздушная трубка или сапун. Сетка на сапуне задержит
твердые частицы (пыль).
В отношении обслуживания вспомогательный насос со всасывающим
трубопроводом является самым важным элементом системы Нужно стремиться
обеспечить во всасывающем трубопроводе ламинарный поток, для чего следует
избегать изгибов труб под острыми углами, резких изменений внутреннего
сечения трассы. Следует применять разъемное соединение трубопровода с на-
сосом. чтобы легко демонтировать последний для ремонта и профилактических
осмотров. Нс допускается появление разрежения па всасывании насосов, кото-
рое может явиться причиной кавитации. Нельзя ставить насос на резонирующую
опору, поэтому в качестве фундамента следует использовать плиту или тяжелое
литое основание Соединение валов насоса и двигателя следует выполнять
с минимальной несоосностью, что снижает шум и увеличивает долговечность
системы.
В целях предотвращения вибрации систем как одной из причин разгер-
метизации контура длинные трубопроводы фиксируются на подвесках или рас-
крепляются
Защиту гидросистем от превышения давления и гидравлических ударов
осуществляют установкой предохранительных или регулировочных клапанов и
дроссельных шайб
4.2. ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ГЕРМЕТИЧНЫХ
ВОДЯНЫХ НАСОСОВ
Размещение в замкнутом объеме герметичных насосов под-
шипниковых опор, ротора, статорной перегородки и обмотки
статора, являющихся источниками тепла, а также присутствие
в непосредственной близости от перекачиваемой среды ко’нструк-
127
Рис. 4.2.'Схема системы автономного охлаждения и газоудаления (а) и газоуда-
ления (б) герметичного ГЦН:
/ — центральное‘отверстие 2, II—дроссельные отверстия, 3. 9—нижний и верхний
радиальные подшипники -/—ротор 5—рубашка; 6 статор, 7— автономный холо-
дильник. 8 — вход и выход охлаждающей воды- 10 - насос-пята 12 полость —
сборник газа; 13. /6 — трубопроводы газоудаления /-/—эжектор; /5 — трубопровод
подачи контурной воды
циопных материалов, неработоспособных при высокой темпе-
ратуре, приводит к необходимости предусматривать в этих
насосах эффективную систему теплоотвода На рис. 4. 2, а по-
казана возможная схема охлаждения, циркуляция в которой
обеспечивается насосом-пятой 10 или установленным на валу
специальным импеллером Тепло от холодильника 7 отводится
технической водой, водой промежуточного контура и т. п
Циркуляцию охлаждающей воды можно организовать и за
счет напора, создаваемого собственным рабочим колесом ГЦН,
исключив из конструкции насос-пяту (импеллер). В этом случае
128
холодильник 7 должен быть рассчитан на съем тепла, посту-
пающего с контурной водой и выделяющегося в электродви-
гателе.
Эффективность любой схемы охлаждения зависит от надеж-
ности газоудаления из верхней части ГЦН Выделяющиеся из
теплоносителя газы образуют подушку в полости верхнего
радиально-осевого подшипника, в результате чего происходит
ухудшение циркуляции охлаждающей воды, а то и полное ее
прекращение В герметичных ГЦН применяются два способа
газоудаления:
роторная полость через отверстие 2 (рис. 4. 2, а) соединяется
с напором рабочего колеса, а полость 12 через отверстие 1 —
с его всасыванием Если выбрать должным образом проходные
сечения отверстий 2 и //, то можно организовать постоянную
циркуляцию части теплоносителя от насоса-пяты через под-
шипники и холодильник. Другая часть воды через отверстие 1
будет постоянно поступать на всасывание рабочего колеса. Рас-
полагая отверстие 11 на некотором расстоянии от всасывания
насоса-пяты, можно ограничить объем газовой подушки, и скап-
ливающийся газ будет выводиться на всасывание ГЦН вместе
с циркулирующей водой,
на байпасной ветке располагается насос-эжектор (рис.
4.2,6). Эжектор 14 работает на контурной воде, поступающей
с напора рабочего колеса ГЦН Схема, безусловно, сложнее
первой, а ее надежность зависит полностью от эффективности
эжектора. Применение данной схемы целесообразно в тех
случаях, когда нет возможности создать минимальное сопро-
тивление трассы слива между полостью 12 и всасыванием рабо-
чего колеса.
При использовании любой из рассмотренных схем газоуда-
ления важно обеспечить ее функционирование при минимальной
циркуляции горячей воды через насос, так как необходимость
постоянного ее охлаждения не только влияет на КПД ГЦН,
но и снижает его надежность. Ограничение циркуляции дости-
гается за счет установки соответствующего дросселя в отвер-
стие 2 или 11 Влияние газов на работоспособность герметич-
ного ГЦН можно полностью исключить, расположив проточную
часть над электродвигателем, что, однако, затрудняет обслужи-
вание последнего.
43. ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ
С УПЛОТНЕНИЕМ ВАЛА
4.3.1. МАСЛЯНАЯ СИСТЕМА
Выбор системы маслоснабжения подшипников — важный
этап проектирования опор скольжения, так как надежность
маслоснабжения в большей мере определяет надежность на-
129
9-173
Рис. 4.3. Схема масляной системы насосов реактора РБМК
1 — маслоиасос; 2 — холодильник; 3 — фильтр грубой очистки; 4 — фильтр тонкой
очистки; 5 — байпас. 6 раздающий коллектор. 7. 12 — запорные вентили, 8 пере-
пускная труба 9 напорный бачок 10 сливной коллектор. 11 — циркуляционный
бак р— давление Др — перепад давления. G — полача Т — температура
coca, а следовательно, и установки в целом Прекращение пода-
чи смазки при номинальной частоте вращения вала за несколько
секунд приводит к расплавлению баббита в подшипниках и по-
следующему задеванию вала об элементы уплотнения рабочего
колеса, что может быть причиной растрескивания шейки вала
и повреждения проточной части насоса Тяжелые последствия
такой аварии требуют повышенной надежности обеспечения
подачи масла в подшипники на всех режимах.
Существует большое разнообразие схем маслоснабжения,
различающихся типом применяемых вспомогательных насосов,
степенью централизации. В качестве характерной системы
рассмотрим масляную систему насосов реактора тина РБМК
(рис. 4. 3). Она обеспечивает не только подачу турбинного
масла в верхние подшипники насосов, но также заполнение
масляных ванн подшипниковых узлов электродвигателей. Вы-
несенная масляная система выполнена общей на четыре насо-
са. Масло из циркуляционного бака //, способствующего
отстаиванию механических частиц и пены, маслонасосами 1
подается через холодильник 2 и фильтры грубой очистки 3
в раздающий коллектор 6. От раздающего коллектора оно
поступает к каждому насосу через Ьентиль 7, расходомерную
шайбу и напорный бачок 9. Напорный бачок служит для обес-
печения подачи масла в радиально-осевой подшипник ГЦН на
период выбега в аварийных ситуациях, связанных с отклю-
чением маслосистемы (например, при обесточивании) При
нормальной работе масляных насосов через бачок осуществля-
ло
ется непрерывная циркуляция масла. При этом бачок полностью
заполнен и находится под давлением, приблизительно равным
давлению в полости подшипникового узла. В случае отказа
масляных насосов срабатывает автоматика, и ГЦН отключа-
ется. Масло под действием перепада давления стекает из бачка
в полость верхнего подшипникового узла, обеспечивая тем са-
мым охлаждение и смазку рабочих поверхностей трения при
выбеге насоса. Время истечения масла из масляного бачка около
180 с (время выбега насоса 150 с). Благодаря специально
организованному подводу утечка масла из напорного бачка
в обратную сторону, т. е. в масляную систему, исключается.
Для предотвращения образования в верхней части бачка газо-
вой подушки, а также вакуума (при опорожнении) предусмотре-
на перепускная труба 8 внутренним диаметром 6 мм, сооб-
щающая верхнюю полость бачка с атмосферой (трубопроводом
свободного слива). Перепускная труба ввиду малого диаметра
является одновременно гидравлическим сопротивлением (дрос-
селем), ограничивающим утечку масла. Из насоса масло по
трубопроводам верхнего и нижнего сливов направляется в слив-
ной коллектор 10 и возвращается обратно в циркуляционный
бак. Часть масла (около 10% общего расхода) поступает на
фильтры тонкой очистки 4 и возвращается также в циркуля-
ционный бак. При номинальном режиме, когда масло подается
на четыре ГЦН, в работе находятся три маслонасоса. один холо-
дильник, два фильтра грубой очистки и один фильтр тонкой очист-
ки. На байпасе 5 вентиль должен быть полностью закрыт. Масля-
ная система заполняется от системы объекта открытием вентиля
12. Объем циркуляционного бака 11 выбирается с учетом требуе-
мой кратности циркуляции, а напорного бачка 9 — из условия
обеспечения подачи смазки на время выбега ГЦН при обесточива-
нии. Все оборудование маслосистемы размещено в специальном
помещении на 6 м ниже насосных.
Система маслоснабжения насосов реактора ВВЭР-440 состоит
из двух масляных станций (маслоблоков), каждая из которых
обеспечивает маслом три ГЦН и включает в себя один цир-
куляционный бак вместимостью 8 м3, три электронасоса, три
фильтра, два холодильника, перепускной трубопровод и арма-
туру. В нормальном режиме работает один маслонасос с фильт-
ром и холодильником. При отключении какого-либо из ГЦН про-
исходит дистанционное закрытие одного из трех каналов, пере-
крывающих подачу масла в подшипники отключенного ГЦН,
с одновременным автоматическим открытием клапана перепуска
избыточного масла. Аналогично выполнена и масляная система
насосов реактора ВВЭР-1000, с той лишь разницей, что пред-
назначена она для обслуживания одновременно двух ГЦН.
Описанные маслосистемы располагаются в специальных об-
служиваемых помещениях. Все оборудование и трубопроводы,
131
за исключением маслонасосов и некоторой арматуры, выпол-
нены из нержавеющей стали.
Основными недостатками общих (централизованных) систем
являются:
необходимость дополнительной отсечной арматуры на трубо-
проводах подачи масла на случай ремонта какого-либо ГЦН;
возможность загрязнения оборудования системы при про-
ведении монтажных работ,
сложность контроля и управления
Этих недостатков в значительной степени можно избежать,
выполняя маслосистему индивидуальной для каждого ГЦН.
В этом случае все оборудование системы размещается на одном
постаменте, т. е скомпоновано в единый блок. Маслобак распо-
ложен непосредственно в помещении ГЦН и связан напорным
и сливным трубопроводами с соответствующим насосом. Такое
компоновочное решение было принято для модернизированных
ГЦН реактора РБМК.
В зарубежной практике все чаще используются индивидуаль-
ные встроенные системы смазки. При этом подшипник ГЦН
снабжается всеми основными функциональными элементами
системы (насосом, баком, охладителем), которые находятся в
непосредственной близости от него в корпусе ГЦН и не требуют
внешних маслопроводов Аналогичное техническое решение было
принято для верхнего подшипникового узла отечественного на-
соса реактора БОР-60 (см гл. 5) и, как показала эксплуатация,
вполне оправдало себя. Эта же концепция использована и при
Рис 4.4. Схема маслиной системы насосов реактора Ы1-800 (вариант):
/. 5 — козырек; 2 — внутренняя полость. .? — периферийная полость; 1 — диск; 6
перегородка; 7 радиальный подшипник; 8 холодильник. 9 — колодка
132
проектировании верхнего подшипникового узла насоса реактора
БН-800 (рис. 4.4).
Циркуляция масла осуществляется вращением диска 4. Часть
масла забирается из внутренней полости 2 после прохождения
по поверхностям скольжения колодок 9 и диска 4 и попадает
в периферийную полость 3, где находится холодильник 8. Дру1ая
часть масла забирается ребрами диска 4 из канавок радиально-
го подшипника 7 и также выбрасывается в полость 3. После
охлаждения в холодильнике 8 масло вновь разделяется на два
потока: один направляется в козырьки / и далее во внутреннюю
полость 2 ванны, другой в верхнюю полость масляной ванны,
где установлены козырьки 5 и горизонтальная перегородка 6.
Пройдя под перегородкой, масло попадает в канавки радиаль-
ного подшипника 7, замыкая циркуляцию. Далее цикл повто-
ряется. Отсутствие разветвленной системы маслопроводов, бака
большой вместимости и автономных масляных насосов позволяет
повысить надежность ГЦН, а также снизить потенциальную
возможность возникновения пожара.
В качестве недостатка такой компоновки можно отметить
отсутствие эффективной фильтрации масла, вследствие чего оно
быстро загрязняется Поэтому данное решение приемлемо глав-
ным образом для ГЦН с небольшими нагрузками на осевой
подшипник и малой быстроходностью
4.3.2 СИСТЕМА ПОДАЧИ ЗАПИРАЮЩЕЙ ВОДЫ
Анализ отечественного и зарубежного опыта эксплуатации
ГЦН на АЭС показывает, что большинство вынужденных оста-
новок блоков происходит из-за неисправностей уплотнения вала
и отказа обслуживающих его систем [29. гл. 3]. Система
запирающей воды уплотнения вала ГЦН представляет собой
сложный комплекс, в который входят нормальная и аварийная
системы подачи запирающей воды, контур охлаждения.
Система питания уплотнений с плавающими кольцами в силу
их конструкционных особенностей, упоминающихся в гл. 3,
является наиболее энерю- и металлоемкой. Рассмотрим ее состав
и функционирование на примере ГЦН реактора РБМК- В уплот-
нение вала этого насоса необходимо подавать холодную очищен-
ную запирающую воду в количестве до 25 м3/ч на один ГЦН
при давлении 7,5—8,0 МПа. Предназначенная для этого система
включает в себя контур запирающей воды, элементы регулиро-
вания перепада давления на двух нижних плавающих кольцах
и аварийную газовую систему (АГС). Запирающая вода
(рис. 4.5) из бака 10 двумя насосами 2 подается через один из
мультигидроциклонов 1 и узел регулирования 15 в раздающий
коллектор каждой насосной. От коллектора запирающая вода
по трубопроводу 13 поступает в уплотнение вала, где разделяет-
ся на два потока (см. рис. 3.31). Часть воды через два нижних
133
Рис. 4.5. Схема системы питания уплотнения плавающими кольцами:
/ — м\льтнгидроциклон; 2 - насос; 3 — баллон для воздуха; 4 — запорный вентиль;
5 — баллон гидравлический 6 группа редукторов; 7 клапан с пневмоприводом;
8— перепускная линия; .9 — баллон для воздуха. 10—бак; II слив переточек после
концевого уплотнения 12 отвод запирающей воды; 13 14 — подвод запирающей воды
15—узел регулирования; 16 байпас с дросселем; 17 - задвижка; 18 байпас
мультигндроииклонов; у—уровень жидкости
кольца уплотнения подается в контур многократной принуди-
тельной циркуляции (КМПЦ), предотвращая выход горячей
радиоактивной воды в обслуживаемое помещение Остальная
часть воды дросселируется на семи кольцах уплотнения и по
трубопроводу отвода запирающей воды 12 направляется под
напором в общий сливной коллектор и затем в бак запирающей
воды. Протечки через концевое торцовое уплотнение свободно
сливаются но трубопроводу //в специальную сливную емкость
Насос 2 запирающем воды — горизонтальный, центробежный,
многоступенчатый, марки ЦН 100-900, с приводом от электродви-
гателя переменного тока мощностью 350 кВт Номинальная пода-
ча составляет 100 м3/ч при напоре 950 м, частота вращения
3000 об/мин
Мультигидроциклон / предназначен для очистки воды, пода-
ваемой в уплотнение. Известные методы очистки с помощью
фильтров и центрифуг различных конструкций имеют недостатки,
из-за которых их использование в системе нецелесообразно
Это большие габаритные размеры фильтров на высокие расходы
и требуемую степень очистки, необходимость периодического
обслуживания фильтров, что является нежелательным фактором
при наличии «грязных» осадков в них, сложность технологии
изготовления фильтрующих элементов, наличие трущихся и
134
Рис. 4.6. Конструкция мультигидроциклона:
/ — корпус; 2— камера чистой воды; 3 патрубок; 4— входное отверстие; 5 гидро
циклон; 6 — сливное отверстие
изнашивающихся деталей в центрифугах
Мультигидроциклон (рис. 4.6) практически избавлен от этих
недостатков Он состоит из двадцати отдельных гидроциклонов
5. Отделение механических частиц в гидроциклоне происходит
под действием центробежных сил, возникающих при закручива-
нии струи воды, входящей через отверстие 4 с определенной
скоростью по касательной к цилиндрической его части При
этом частицы отбрасываются к стенке и через отверстие 6 в
вершине конуса попадают в полость «грязного» слива. В центре
вихря образуется зона очищенной жидкости, которая через
135
патрубок 3 направляется в сборную камеру 2 чистой воды и
далее в систему. Гидравлика потоков в гидроциклоне крайне
сложна, что вызывает необходимость проведения испытаний
гидроциклонов для каждого конкретного случая. В данной
конструкции для обеспечения степени очистки 20—30 мкм пере-
пад давления на гидроциклоне должен быть не менее 0,2 МПа.
Номинальный расход воды при указанном перепаде составляет
150 м3/ч, а расход по трассе грязного слива 10—15% общего
расхода.
Узел регулирования 15 (рис. 4.5) поддерживает требуемый
перепад давления на двух нижних кольцах уплотнения и выпол-
нен в виде двух параллельно работающих трубопроводов с
регулирующей и запорной арматурой. В случае ошибочного
закрытия арматуры на одном из них второй обеспечивает мини-
мально необходимый расход запирающей воды. Контроль равно-
мерности загрузки регулирующей арматуры осуществляется
расходомерами-индикаторами. Для предотвращения работы ре-
гулирующей арматуры при повышенном перепаде давления она
вводится в действие при давлении в КМПЦ не менее 3,5 МПа.
При меньших давлениях питание уплотнений ГЦН проводится
через байпас 16 с дроссельным устройством.
Аварийная газовая система обеспечивает питание уплотне-
ний при кратковременном (3—4 мин) прекращении подачи
запирающей воды, а также в режиме 3-минутного полного
обесточивания. АГС включает в себя баллоны для воздуха 3
вместимостью 4 м3 и рабочим давлением 20 МПа, гидравлические
баллоны 5 вместимостью 6,8 м3 и рабочим давлением 10 МПа,
группу редукторов 6 для поддержания постоянного давления
газа, подаваемого в гидравлические баллоны, клапан 7 с пневмо-
приводом.
Пневматический распределитель, подающий воздух или газ
в полость силового цилиндра клапана 7, снабжен электромагни-
том, который при наличии напряжения поддерживает золотник
распределителя в положении «закрыто». При аварийном обесто-
чивании объекта, а также по сигналам снижения давления или
расхода запирающей воды питание с электромагнита снимается,
золотник распределителя под действием пружины перемещается
в положение «открыто» и воздух из баллона 9 вместимостью
0,02 м3 открывает клапан 7. Газ из баллонов 3 через редукторы
и пневмоклапан поступает в гидравлические баллоны и вытесня-
ет воду через задвижки в раздающий коллектор запирающей
воды. Если в течение 1 мин после открытия нневмоклапана
параметры запирающей воды не восстановились, насосы авто-
матически отключаются и АГС обеспечивает питание их уплотне-
ний на время выбега. Общая вместимость АГС равна 50 м3.
В целях исключения заброса газа в первый контур при
достижении нижнего уровня в гидравлических баллонах подает-
136
ся сигнал на закрытие задвижки /7 и клапана 7. Для пред-
отвращения образования газовой подушки в гидравлических
баллонах 5 при длительной эксплуатации системы предусмотрена
постоянно включенная перепускная линия 8 с дроссельным
устройством.
Практика показала, что поскольку кольца в уплотнении вала
«плавают», т. е. работают с гарантированным радиальным зазо-
ром и разгружены от осевых сил, их выход из строя при подаче
в уплотнение запирающей воды в достаточном количестве мало-
вероятен. Отказы в работе плавающих колец связаны в по-
давляющем большинстве случаев с отказами в системе питания
уплотнения вала.
Рассмотрим теоретически возможные аварийные ситуации в системе пита
иия уплотнения вала плавающими кольцами
1 Разрыв трубопровода запирающей воды. При этом горячая вода из
КМПЦ будет выхолить в систему питания уплотнения вала. Вскипание воды
начнется в рабочем зазоре плавающих колец при понижении давления до
давления насыщенных паров что приведет к выходу из строя плавающих колец
(задирам и схватыванию), так как они неработоспособны в паровой среде
Нагрев уплотнения в этой ситуации до температуры 200—280° С нарушит
герметичность концевого торцового уплотнения из-за разрушения резиновых
элементов конструкции и износа пары трения, поскольку она тоже неработоспо-
собна в паровой среде Последствием разрушения концевого уплотнения будет
истечение в обслуживаемое помещение большого количества радиоактивной
воды и пара. В результате ГЦН должен быть выведен в ремонт.
2. Неисправность пневмоклапана между газовыми и гидравлическими балло-
нами в системе АГС. В период обесточивания собственных нужд (питательные
насосы отключились) неисправность приводит к выходу горячей воды через
плавающие кольца из КМПЦ с последствиями, изложенными выше
3. Арматура или электрическая схема управления арматурой неисправны
В этом случае при обесточивании питательных насосов не произойдет отклю-
чения АГС после опорожнения гидробаллонов, и сжатый газ через гидробаллоны
может пройти через плавающие кольца на всасывание ГЦН Уплотнение при
этом выйдет из строя, поскольку, как уже говорилось выше, плавающие кольца
неработоспособны в газовой среде. Кроме того, попадание воздуха на всасыва
ние насоса может привести к срыву ГЦН.
Таким образом, сложная и разветвленная система подачи запирающей воды
в уплотнение с плавающими кольцами требует дополнительных схемных решений,
обеспечивающих нормальную работу уплотнений
Торцовые уплотнения благодаря существенно меньшим про-
течкам запирающей воды имеют и соответственно менее гро-
моздкое комплектующее оборудование в системе. Особенно это
проявляется у торцовых гидродинамических уплотнений, которые
в состоянии сохранять работоспособность даже при полном
отказе системы подачи запирающей воды, переходя в режим
работы на воде первого контура. В этом случае уплотнение
137
В атмосферу
Рис 4 7 Схема системы запирающей волы модернизированных насосов роак
тора РБМК-1000
/ — фильтр. 2 баллон; 3 предохранительный клапан; 4 — плунжерный насос.
5 обратный клапан 6" торцовое уплотненно вала; 7 дроссель; 8 указатель
протечек. 9 ГЦН; 10 — подпиточный насос; It холодильник
должно быть защищено от перегрева мощным внутренним хо-
лодильником Однако в литературе отсутствуют данные об
эксплуатации таких уплотнений на контурной воде без внешних
систем Это объясняется, по-видимому, нежеланием изготовите-
лей насосов усложнять решение и без того сложной проблемы
создания уплотнения. Общепризнано, что торцовые механические
уплотнения должны работать с подачей в полость уплотнения
чистой холодной воды, не содержащей химических примесей
В качестве иллюстрации рассмотрим систему подачи запи-
рающей воды в торцовое гидродинамическое уплотнение вала
модернизированного ГЦН реактора РБМК (рис. 4.7). Подача
запирающей воды в номинальном режиме осуществляется от
насосов 10. предназначенных для подпитки основного контура
установки [45, гл. 3].
138
Запирающая вода через один из холодильников 11 (второй
в резерве или ремонте) и фильтр 1 тонкой очистки подается
в уплотнение каждого ГЦН. Из уплотнений часть воды через
их контурные ступени попадает в основной контур, а протечки
через атмосферные ступени свободным сливом отводятся в
систему сбора протечек. В корпусе уплотнения на входе запи-
рающей воды установлен обратный клапан 5, препятствующий
выходу воды из уплотнения в питающую систему при снижении
давления в ней В системе питания уплотнения предусмотрена
также дренажная линия, обеспечивающая периодическую (один
раз в два месяца) продувку внутренней полости уплотнения
для удаления накапливающихся загрязнений, не улавливаемых
фильтрами. На дренажной линии в корпусе уплотнения уста-
новлен дроссель 7, ограничивающий расход воды при продувке.
В пусковых, переходных и аварийных режимах питание уплот-
нений осуществляется от аккумулирующих баллонов 2 вмести-
мостью 0,4 м3 и рабочим давлением 10 МПа Баллоны подпиты-
ваются одним из плунжерных насосов 4 с подачей 1—4 м3/ч
давлением нагнетания 10 МПа, который автоматически вклю-
чается и отключается по мере изменения давления в них. Если
подача одного насоса недостаточна или он не включается, так
же автоматически вводится в работу второй.
Система запирающей воды выполнена общей на все насосы
и требует подачи воды не более 0,05 м3/ч на один ГЦН при
давлении 8—10 МПа Такая высокая (но сравнению с уплотне-
нием плавающими кольцами) герметичность торцового уплотне-
ния позволяет следующее:
отказаться от постоянно работающих питательных насосов
большой мощности, вместо которых периодически работает плун-
жерный насос мощностью всего 10 кВт;
снять нагрузку с аварийного дизель-генератора при обесто-
чивании блока;
высвободить помещения, занимаемые питательными насосами
и аварийной газовой системой;
проводить гидроиспытания ГЦН пробным давлением 15 МПа
после монтажа и в процессе эксплуатации от системы питания
уплотнения;
исключить сложные громоздкие элементы регулирования
давления запирающей воды. Давление в уплотнении поддержи-
вается в пределах 8—10 МПа независимо от изменении давления
в контуре,
ликвидировать АГС, так как из-за малых утечек запаса воды
в баллоне достаточно для запирания уплотнений в период
3-минутного обесточивания установки. И, главное, уплотнение
сохраняет работоспособность в условиях длительного отсутствия
запирающей воды при наличии подачи охлаждающей воды в
холодильник уплотнения.
139
Таким образом, характерная особенность и одно из принци-
пиальных отличии уплотнения вала модернизированного насоса
реактора РБМК — его весьма слабая зависимость от системы
обслуживания. Аварии в системе запирающей воды практически
не приведут к выходу из строя уплотнения, а следовательно,
и всего насоса
Дли подтверждения сказанного рассмотрим возможные нерегламентные
ситуации в системе запирающей воды этого ГЦН.
I Прекращение подачи запирающей воды или снижение ее давления ниже
давления в КМ11Ц приведет к тому, что обратный клапан, стоящий на входе
в уплотнение, отсечет его от системы запирающей воды, а перепускной клапан,
встроенный в корпус уплотнения, сообщит его внутреннюю полость с основным
контуром. Таким образом, уплотнение автоматически перейдет в режим работы
на контурной воде. Протечки воды из контура в количестве не более 0 01 м’/ч
легко охлаждаются встроенными в корпус уплотнения холодильниками, а их
организованный слив не представляется технически сложной задачей. При этом
необходимо подчеркнуть, что работу на контурной воде допускают только уплот
нения с малыми протечками, к которым относится гидродинамическое уплотнение.
2 . Прекращение подачи охлаждающей воды при сохранении подачи запи-
рающей воды может привести к перегреву уплотнении Перегрев можно исклю
чить. приоткрыв дренаж из уплотнения и поддерживая такой расход запирающей
воды через него, при котором температура в уплотнении не превышает 80е С
Время работы уплотнения в этом режиме не ограничено
3 . Обрыв трубопровода запирающей воды приведет к уже описанному
режиму работы уплотнения на контурной воде
4 Обрыв трубопровода дренажной линии, возможно, не исключит выход
запирающей воды в помещение насосной. Однако утечка воды при этом будет
О1раничена дросселем, установленным на дренажной линии в корпусе уплотнения,
и не превысит 0,5 м‘/ч. В угом режиме I ЦН также может работать длительное
время Заметим, что этой ситуации можно избежать, если организовать дрени
рование запирающей воды в основной контур внутри насоса, не выводя трубопро
воды наружу.
5 Одновременное прекращение подачи запирающей и охлаждающей воды
на длительное время единственная ситуация в системе, которая может привести
к выходу из строя уплотнения вследствие его перегрева При перегреве происхо-
дит разрушение резиновых элементов уплотнения вследствие деструкции резины
и прорыв горячей воды и пара из КМПЦ в помещение* насосной. Однако это
возможно только при условии, что перерыв в подаче* охлаждающей и запи-
рающей воды исчисляется несколькими десятками минут или даже часов,
поскольку разогрев уплотнения происходит постепенно, а резина даже потеряв
свою эластичность, способна выполнять функцию уплотнения в течение довольно
длительного времени
Учитывая малую вероятность того, что в течение такого длительного срока
не будет восстановлена подача запирающей или охлаждающей воды, следует
считать подобную ситуацию практически нереальной. Тем не менее применение
резин с повышенной термостойкостью является весьма желательным для уплотне-
ний данного типа.
140
Рис. 4.8. Схема системы запирающей иолы насоса фирмы «Alstrern» (автоном-
ный контур)
/— задвижка; 2 5 холодильник 3— подпиючный насос; 4— фильтр, 6 — буферная
емкость, 7— обратный клапан; 8 — холодильник автономного контура 9 — замыкающее
уплотнение; 10—концевое уплотнение; II—ступень основного уплотнения; 12 рас-
пределительная камера; 13 — импеллер
Системы, обслуживающие гидростатические торцовые уплот-
нения, представляют собой нечто среднее между системами,
питающими уплотнения с плавающими кольцами и гидродина-
мические торцовые уплотнения. Это обусловлено тем, что протечки
через гидростатические уплотнения (0,5—1,5 м3/ч), хотя и малы
по сравнению с протечками через плавающие кольца, все же не
могут быть достаточно охлаждены встроенными холодильниками
в случае перехода уплотнения на контурную воду. Поэтому
система должна гарантировать бесперебойную подачу запи-
рающей воды, для чего необходимо иметь соответствующее
резервирование оборудования и надежную аварийную систему
141
На рис. 4.8 показана система запирающей воды гидроста-
тического торцового уплотнения вала ГЦН финской фирмы
«Alstrem» [2j. Запирающая вода от станционной системы про-
ходит последовательно холодильник 5, буферную емкость 6,
холодильник автономною контура 8 и поступает в распредели-
тельную камеру 12 уплотнения вала. Протечки через две ступени
// основного уплотнения организованно отводятся в деаэратор
станционной системы. На линии организованных (контроли-
руемых) протечек имеются регулирующая арматура и контроль-
ные точки измерения протечек, давления, температуры Утечки
через концевое уплотнение 10 также opiанизовапно отводятся
в специальные емкости
В некоторых схемах вспомогательных систем между ступеня-
ми уплотнения предусмотрены дополнительные холодильники
для поддержания температуры запирающей воды 50—60 С
(см. рис. 3.36), а также дополнительные специальные фильтры,
обеспечивающие степень очистки воды 5—10 мкм.
Из рис. 4.9 можно уяснить принцип работы станционной
системы подачи запирающей воды к уплотнению вала ГЦН на
АЭС «Loviisa». Вода первого контура по трубопроводам 10
поступает в реактор //, затем проходит холодильники 4, 5 и
фильтры 6. Очищенная вода подается насосами 2 на дополни-
тельные фильтры 1 и затем в систему запирающей воды ГЦН
Регулирующая арматура 12 поддерживает превышение давления
запирающей воды над давлением контура в пределах 0,05—
0,1 МНа. Если температура запирающей воды после фильтров
6 выше 50 С, то включается дополнительный холодильник 3
Контролируемые протечки отводятся в деаэратор 8 и после
очистки от газов насосами 7 направляются в систему. Насосы
2 имеют надежное питание от аккумуляторных батарей и обеспе-
чивают подачу запирающей воды при обесточивании АЭС Даже
при наличии большого количества в системе регулирующей и
запорной арматуры, а также вспомогательного оборудования
она подтвердила свою работоспособность и надежность на
АЭС [2].
При аварийном 3-минутном обесточивании системы подпи-
точные насосы 2 работают от аккумуляторных батарей и имеют
буферные емкости с запасом холодной воды. В случае обесточи-
вания насосов подачи охлаждающей воды второго контура на
холодильники подпиточные насосы 2 продолжают подавать горя-
чую (до 150° С) запирающую воду, вытесняя холодную воду
из буферной емкости 6 (рис. 4 8). После восстановления подачи
запирающей и охлаждающей воды часть горячей воды буферной
емкости охлаждается в холодильнике 8 автономного контура
На рис. 4 10 показан другой возможный вариант схемы
подачи запирающей воды к уплотнению — с напора ГЦН.
Охлажденная в холодильниках 4, 5 вода первого контура посту-
142
1
2
J
4
Рис. 4.9. Схема станционной системы запирающей воды ГЦН на АЭС
«Loviisa»:
/. 6 фильтр. 2. 7—наю1Ы 3—5— холодильники, 8— деаэратор У — [ ЦН 10
трубопровод первого контура. II — реактор; 12— регулирующая арматура, 13 — запор-
ная арматура
Рис. 4.10 Схема станционной системы подачи запирающей воды с напора ГЦН:
/ реактор, 2 —ГЦН, 3 напорный трубопровод; •/. 5, 10 12— холодильники;
6 — дроссель, 7 фильтр. 8— деаэратор; 9. 11 насосы
пает на фильтры 7 через понижающий давление дроссель 6.
Вода после деаэратора 8, освобожденная от газов, доохлаждает-
ся в холодильниках 12 и насосами 9, 11 подается к уплотнению
ГЦН. Если температура запирающей воды после холодильников
12 более 50° С, на входе насосов 9 вводятся в действие холо-
дильники (доохладители) 10. Насосы 9 обеспечивают плавное
регулирование превышения давления запирающей воды над
давлением в первом контуре. Снижение давления на
дросселе 6 позволяет использовать фильтры 7 низкого давления.
В этой системе применяются высоконапорные подпиточные насосы
мощностью до 800 кВт, которые трудно обеспечить надежным
питанием. Поэтому для случая 3-минутного обесточивания должна
быть предусмотрена специальная система самозапирания, исполь-
зующая воду с напора ГЦН. Эта система может иметь две разно-
видности.
Первая, наиболее простая и удобная в эксплуатации, показана
на рис. 4.11. Вода первого контура с температурой 300° С при
открытой задвижке 9 и закрытом обратном клапане 5 поступает
в уплотнение с напора ГЦН через холодильник 4 и фильтр 7 [3].
Вторая система более сложна, имеет в своем составе дополни-
тельный подпиточный насос (рис. 4.8) и целесообразна при
повышенном сопротивлении оборудования и трубопроводов
143
Вхо д жидкости
Рис 4 II Схема системы аварийного запирания уплотнения вала ГЦН фирмы
«Andritz» (Австрия)-
/ — замыкающее уплотнение; 2— концевое уплотнение, 3 основное уплотнение 4
холодильник; 5 6 8 — обратные клапаны 7 — фильтр 9 — регулирующая задвижка
системы Если функционирует подниточный насос и открыта
задвижка /, вода первого контура (300° С) охлаждается в холо-
дильнике 2 до 100—120 С, проходит очистку на фильтре 4,
доохлаждается на холодильниках 5 и 8 до 50° С и поступает
в камеру 12, обеспечивая нормальную работу уплотнения. По-
падание неочищенной воды первого контура в систему предотвра-
щается обратным клапаном 7. Система обеспечивает работу ГЦН
в аварийных ситуациях, но недостаточно надежна и требует
наличия герметичных подпиточных насосов.
Обе описанные аварийные системы имеют холодильники 2
(рис. 4.8) и 4 (рис 4.11), которые эксплуатируются при темпера-
турном перепаде до 240° С, что снижает их надежность.
Оригинальную схему питания гидростатического уплотнения
на утечки не более 0,5 м*/ч, защищенную патентом [4], исполь-
зует в своих насосах RER фирма KSB на АЭС «Obrigheim».
Принцип работы этой системы ясен из рис 4 12.
На основании имеющихся сведений по отечественным и
зарубежным конструкционным схемам систем питания узлов
уплотнений вала ГЦН можно предложить наглядную их класси-
фикацию (рис. 4.13).
144
mpog па 'тснndпиое
пкорои аыашзпу
mgog naYnmndnunc пьпрои оиашэпэ ызннопРнпшу
Cue men а с вы6о dort теплоносителя изпервого контура, они ст кои его при сниженном давле- нии и подачей подпиточными высоконалор - нь/ми насосами к вспомогательным устройствам Система с выводом теплоносителе, очисткой его при давлении первого контура и подачей подпиточными низконапорными насосами к вспомогательным устройствам
10-173
145
4.3.3 СИСТЕМА ПИТАНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ
Рассмотрим ее функции на примере насоса реактора РБМК,
где она обеспечивает подачу воды в ГСП с напора ГЦН в
нормальном режиме работы и от внешнего источника в аварийно-
пхековых режимах (рис. 4 14) В контур питания ГСП с напора
ГЦН входят обратный клапан 13, мультигидроциклон 12, трубо-
провод 11 подачи воды в ГСП с расходомернои шайбой, трубо-
провод 15 слива из ГСП, трубопровод 14 грязною слива из
мультигидроциклона.
Контур питания ГСП от внешнего источника состоит из
трубопровода подачи воды от питательных насосов реактора с
задвижкой 2, обратным клапаном 4 и дроссельным устройством 3,
Рис 1.14. Схема питания гидроста-
тического подшипника насоса реак
гора РБМК
/ ГЦН 2 — задвижка, 3 - дрос
сельнос устройство; 4 7. 13 — об-
ратные клапаны; 5 - эжектор 6 —
расчодомернзя шайба. 8 10 — задви-
жки 9- коллектор питании ГСП
// трубопровод подачи н ГСП 12 —
мультшидроциклон; II— трубопровод
грязного слива из мультигидроцикло-
на, /5 — трубопровод слива из ГСП
Рис. 4 15 Конструкция эжектора
1 приемная камера; 2 камера сме-
шения, 3 сопло 4 диффузор
146
эжектора 5 с расходомернои шайбой 6, трубопровода эжекти-
руемой воды с обратным клапаном 7 и задвижкой #, общего на
все насосы коллектора 9 питания ГСП, трубопроводов подачи
воды от коллектора питания ГСП к мультигидроциклону каждого
насоса с задвижками 10.
Перед пуском первого из восьми ГЦН вода в его ГСП подается
от внешнего источника (например, от насосов питания уплотне-
ния вала) через эжектор 5, коллектор ГСП Р, подводящий
трубопровод с задвижками 10, мультигидроциклон Г2 и трубо-
провод 11 подачи в ГСП. Из ГСП вода под напором сливается
на всасывание ГЦН по трубопроводу слива 15. После пуска
второго ГЦН подача воды от насосов питания уплотнения может
быть прекращена, так как для подачи воды в ГСП перед запуском
остальных насосов внешним источником теперь может служить
работающий ГЦН, который одновременно питает собственный
гидростатический подшипник через обратный клапан 13, мульти-
гидроциклон 12 и трубопровод 11 подачи в ГСП Предусмотренный
в схеме эжектор (рис 4 15) представляет собой водоструйный
насос, состоящий из рабочего сопла 3, приемной камеры /,
камеры смешения 2 и диффузора 4. Он служит для подогрева воды
при подаче ее в ГСП от питательных насосов или от насосов
уплотнения вала и рассчитан на обеспечение необходимого
расхода на ГСП одного насоса Подогрев необходим, ибо конструк-
ционные элементы проточной части ГЦН, и прежде всего ГСП, не
выдерживают значительных температурных градиентов. Трубо-
провод питательной воды подсоединяется к патрубку рабочего
сопла эжектора, а трубопровод контурной воды, идущий от
напорного коллектора ГЦН одной из насосных, крепится к патруб
ку камеры смешения Питательная вода температурой 165D С
выходит из рабочего сопла эжектора с большой скоростью и
увлекает за собой горячую (270° С) воду контура Регулируя
расходы по питательному и контурному трубопроводам, можно
установить, что температура воды на входе в ГСП всего на
20—30° С ниже, чем возможная температура корпуса ГСП и
элементов проточной части (около 270° С).
Мультигидроциклон 12 повторяет конструкцию мультигидро-
циклона в системе уплотнения вала (рис. 4 6). При перепаде
давления 0,2 МПа номинальный расход чистой воды составляет
45 м3/ч.
Все оборудование, арматура и трубопроводы системы питания
ГСП выполнены из нержавеющей стали
4 3.4. СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ
Известные материалы, применяемые в нижнем гидродинами-
ческом подшипнике, питаемом водой первого контура, нетермо-
стойки, поэтому для такого подшипника необходим автономный
147
3
2
Рис 1.16. Схема охлаждения
подшипника насоса фирмы
KSB:
I — термобарьер; 2 — радиальный
подшипник 3 уплотнение вала
4 — вал
Спав протечек
Повача.
запирающей
Т/боды
-Входвобы
охлажда-
ющей.
контур охлаждения в целях поддержания требуемой температуры
рабочей среды (не более 100 С). Поскольку в этих ГЦН уже
имеется в наличии контур питания уплотнения (рис. 4 8, 4 12), то
вполне естественно в него включить и контур охлаждения гидро-
динамического подшипника, циркуляция воды в котором обеспе-
чивается рабочим колесом ГЦН. Схема проста и надежна, но
должна быть обеспечена высокая эффективность автономного
холодильника.
Фирма KSB в циркуляционном насосе RSR применила
«перевернутую» схему охлаждения гидродинамического подшип-
ника (рис. 4 16). Запирающая вода сначала подается в гидроди-
намический подшипник, затем под гидростатическое торцовое
уплотнение 3 и в виде организованных протечек возвращается
в систему запирающей воды В этом случае должен быть доста-
точно эффективен термобарьер / Иначе возможно захолаживание
первого контура протечками но зазору между валом 4 и термо-
барьером /.
Сложный внешний автономный контур и высокая чувствитель-
ность гидродинамических подшипников к температурам наклады-
вают ограничения на широкое их применение.
4.3.5 СИСТЕМА РАЗГРУЗКИ ОТ ОСЕВЫХ СИЛ
Для ГЦН, работающих в контурах высокого давления, имеют
место высокие осевые усилия (до 1000 кН), которые в верти-
кальных насосах могут быть направлены нверх или вниз в
зависимости от режима работы. При включении такого насоса
148
возникает большая удельная нагрузка на осевой подшипник,
что может привести к его интенсивному нагреву и износу. Кроме
того, отсутствие гидродинамического клина в осевом подшипнике
при пуске ГЦН приводит к чрезмерно высоким пусковым момен-
там, которые уже не могут быть преодолены приводным электро-
двигателем обычной конструкции. Поэтому с помощью конструк-
ционных мероприятий стараются снизить пусковой момент. Это
достигается, например, с помощью впрыска под высоким давле-
нием масла между несущими колодками и пятой и обеспечения
за счет этого необходимой для легкого пуска смазочной пленки.
Применяется также гидравлическая или электромагнитная раз-
грузка.
Наиболее проста и удобна гидравлическая разгрузка, исполь-
зуемая в ГЦН реактора РБМК. Она представляет собой трубо-
провод с задвижкой, сообщающий заколесную полость со всасы-
ванием насоса. При работе ГЦН на холодной воде, когда давление
на входе определяется геометрической высотой расположе-
ния барабан-сенараторов (24 м), осевая гидравлическая сила,
действующая на вал насоса вниз, имеет максимальное значение.
В целях уменьшения осевой силы необходимо перед пуском
ГЦН открыть задвижку и сообщить тем самым заколесную
разгрузочную полость со всасыванием колеса. По мере повышения
давления в контуре возрастает осевая выталкивающая сила,
действующая на вал насоса вверх. При достижении давления
в контуре 6,5 МПа задвижку закрывают. Система привлекательна
тем, что позволяет в насосе избежать применения излишне услож-
ненной конструкции пяты, как, например, в насосах АЭС
«Obrigheim» KWO (см. рис. 3.14). И хотя ввод в действие
этой системы требует проведения некоторых манипуляций с
задвижкой во время выхода реактора на мощность, она пред-
ставляется достаточно надежной. Безусловно, сам осевой подшип-
ник должен быть способен некоторое время нести полную нагрузку
на случай непредвиденной задержки с закрытием задвижки.
В циркуляционном насосе фирмы «Alstrem» радиально-осевой
шарикоподшипник разгружается от осевых сил электромагнитным
устройством (рис. 4.17). Специальное тензометрическое силоизме-
рительное устройство 2 измеряет действующую на подшипник
осевую нагрузку и формирует сигнал, который через регулятор
управляет током кольцевого электромагнита 3, расположенного
под маховиком 4 электродвигателя. Регулятор настроен так, чтобы
на подшипник действовала постоянная нагрузка 35 кН. Таким
образом, из общей направленной вверх осевой силы 550 кН
большая часть (515 кН) воспринимается не подшипником, а
электромагнитом. Обмотка магнита питается от двух незави-
симых источников: через выпрямитель от источника переменного
тока и от аккумуляторных батарей, емкость которых выбрана из
расчета 3-минутного обеспечения питания на случай отсутствия
149
Рис. 4 17. Конструкция электромагнит-
ной разгрузки радиально-осевого под-
шипника:
I — вал электродвигателя; 2 силоизме
ригельное устройство, 3 — электромагнит,
4 — маховик; 5 корпус
напряжения в сети переменного тока [2].
В аварийной ситуации, связанной с нарушением нормальной
работы магнитной системы, шарикоподшипник способен работать
в течение 60 ч при максимальной нагрузке 700 кН.
Рассмотренный метод разгрузки от осевых сил в целях
обеспечения запуска электродвигателя ГЦН при полном давлении
в основном контуре циркуляции, а также для облегчения работы
осевого подшипника скольжения на номинальной нагрузке исполь-
зуется и в насосе с уплотнением вала реактора ВВЭР-440.
Электромагнитное устройство, установленное в верхней части
корпуса радиально-осевого подшипника, создает на вале насоса
направленное вниз осевое усилие до 200 кН.
При большой частоте вращения диаметр вала меньше и соот-
ветственно будет меньше выталкивающая сила, которую надо
воспринять осевым подшипником Это открывает возможность
применять, в частности в быстроходных ГЦН осевого типа, вместо
пяты с подшипниками скольжения радиально-осевые подшипники
качения, что значительно упростит конструкцию вспомогательных
систем, повысит надежность ГЦН и сократит время на ремонт
осевого подшипника.
4.4. ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ НАСОСОВ
ДЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ
В состав этих систем, обеспечивающих работу насосов, входят
системы смазки подшипников, питания уплотнения вала по газу,
поддержания уровня теплоносителя в баке насоса, охлаждения
отдельных элементов конструкции (вала, уплотнения и т. п.) и др.
4 4.1. СИСТЕМА СМАЗКИ ПОДШИПНИКОВ
Эта система у ГЦН для АЭС с реактором на быстрых нейтронах
принципиально не отличается от аналогичных систем у водяных
насосов. Поэтому возможно и целесообразно заимствование части
150
Рис 1.18 Схема маслосистемы насосов реактора БН-600.
I — элемролиигатсль; 2 напорный бак УВГ. 3 — трубопровод слива масла 4—
напорным маслобак. 5. 7 расходомерные шайбы; 6 — напорный трубопровод масла,
8 холодильник. 9 фильтр грубой очистки; 10— винтовой насос, // — фильтр тонкой
очистки; 12 циркуляционный бяк 13 — бак приема аварийных протечек масла. 14.
15 — баки сбора протечек через нижнюю и верхнюю ступень УВГ соответственно
оборудование, в ходя шее в маслоблок ( маслостанцию)
оборудования (маслонасосов, холодильников, фильтров, арматуры
и т. н.).
Для отечественных натриевых насосов реактора БН-350 си-
стема смазки спроектирована вынесенной, индивидуальной (для
одного ГЦН) и герметичной Герметизация по газу необходима,
поскольку УВГ в насосах располагается выше верхнего радиально-
осевого подшипника, и, следовательно, газовые полости насоса
и масляной системы имеют общую газовую подушку и через
газовый коллектор соединяются с реактором.
Для уменьшения вспенивания масла, сливающегося самотеком
из подшипников в циркуляционный маслобак, последний располо-
жен всего на 2—3 м ниже подшипников. Остальное оборудование
системы размещено в помещении ниже циркуляционного масло-
бака. Пространственная разбросанность системы усложнила опе-
ративный контроль за балансом масла Кроме того, отсутствие
дублирования сигнализаторов уровня в циркуляционном, напор-
ном и сливных маслобаках нарушило стабильную работу систе-
мы |5j.
В насосах реактора БН-600 вынесенная система смазки
выполнена в едином блоке и полностью автономна для каждого
ГЦН (рис. 4.18).
Блок системы смазки (маслостаиция) поставляется на объект
в полностью готовом для эксплуатации виде. На месте монтажа
151
остается подсоединить только подводящие и отводящие трубо-
проводы.
Система смазки для насосов реактора БОР-60 — встроенная,
циркуляционная, замкнутая внутри масляной ванны. Масло из
ванны подастся на подшипник винтовой втулкой и стекает обратно
в ванну, где охлаждается встроенным водяным холодильником.
Подача масла на подшипник зависит от частоты вращения насоса
Уплотнение вала по газу расположено ниже верхнего подшипника,
что исключает попадание масла из верхнего подшипника в цирку-
ляционный контур [6].
Для обеспечения длительной стабильной работы гидродинами-
ческих подшипников насосов используется высококачественное
турбинное масло марки Т22 От маслосистемы насоса, как правило,
масло берется и на подшипники приводного электродвигателя.
4.4.2. СИСТЕМА ПИТАНИЯ УПЛОТНЕНИЯ
Все насосы для перекачки натрия снабжены системой питания
маслом уплотнения вала по газу, схема которой приведена на
рис 4.18. Она имеет напорный маслобак 2, соединенный с уплот-
нением. и два бачка приема протечек: 14 — через нижнюю пару
трущихся колец, /5 — через верхнюю пару колец из полости,
сообщенной с атмосферой. В общем виде высота установки //Уст, м,
напорного маслобака определяется из условия-
tfVCT = Pr "pZP° + 2, (4.1)
где рг.п — максимальное давление газовой подушки в насосе,
Па; р6 — давление в напорном маслобаке, Па; р — плотность
масла, кг/м . Из формулы (4.1) следует, что напорный масло-
бак располагается на 2 м выше, если его «азовая полость сооб-
щается с газовой полостью насоса. Если же полость напорного
бака сообщается с атмосферой, то он дополнительно должен
быть поднят над УВГ на высоту, равную величине избыточного
давления газа контура.
По мере утечек масла из УВГ заполнение напорного бака 2
(рис. 4.18) обеспечивается маслонасосом. Можно, в принципе,
осуществить питание УВГ не от напорного бака, а организовать
постоянную циркуляцию масла через него и более эффективно
отводить выделяющееся тепло Однако схема питания маслом
УВГ, в которой подача масла в уплотнение осуществляется из
периодически наполняемого напорного бака, с точки зрения безо-
пасности и экономичности является предпочтительной. На случай
разгерметизации УВГ с одновременным нарушением нормального
слива по трубопроводам в баки /«?, 14 в насосе предусматрива-
ются полости, в которые вместится весь объем масла из уплот-
нения и напорного бака. На период ремонта или замены уплот-
152
нения вала при наличии давления газа в насосе включается
ремонтное уплотнение.
Охлаждение уплотнения вала обычно осуществляется техни-
ческой водой. Система должна являться частью общей системы
охлаждения оборудования установки. Контроль за работой узлов
насоса и малая инерционность измерения их температуры при
изменении рабочих параметров охлаждающей жидкости гаранти-
руют высокую надежность системы. Однако из-за опасности
реакции натрия с водой в случае их контакта принимаются
особые меры. Например, охлаждение через двойные стенки, при-
менение специальных мер повышенной безопасности (исключение
разъемных соединений, сведение к минимуму сварных соедине-
ний, увеличение запасов по прочности, стабилизация температур-
ных напряжений) и др. Такие меры предосторожности оправ-
дали себя на практике (на отечественных насосах аварийные
ситуации по этой причине отсутствовали).
Одним из основных вопросов безопасной эксплуатации натри-
евых насосов является вопрос об исключении возможности попа-
дания масла или его паров в первый контур. Натрий для
установок такого рода должен содержать не более 3- 10“3%
углерода. Увеличение содержания углерода в натрии возможно
в результате попадания в него паров масла из масляной ванны
нижнего подшипника (см рис. 3.7) или из газовых полостей
герметичных баков 13, 14 сбора протечек масла (рис. 4.18).
В масляную ванну нижнего подшипника сливается масло с тем-
пературой около 50° С. Вся полость выше уровня натрия в баке
насоса заполнена аргоном. При пуске масляной системы в ванне
нижнего подшипника образуется масляный туман, концентрация
которого, по крайней мерс, не ниже концентрации насыщенных
паров масла при указанной температуре Аналогичная картина
наблюдается и в насосах, в которых УВГ располагается ниже
подшипникового узла. В этом случае в газовой полости при-
сутствуют пары масла
Пары масла или туман в бак насоса могут попасть в основном
за счет диффузии с потоком газа, подсасываемым из масляной
ванны или газовых полостей баков герметичных протечек, а
также при снижении уровня в баке насоса или при пуске масло-
системы. Проведенные для реактора БН-350 расчеты показали,
что количество паров масла, проникающих из подшипников в
контур, может быть значительным. Заметного снижения коли-
чества паров можно добиться заменой турбинного масла ва-
куумным, обладающим гораздо меньшим давлением насыщенных
паров (например, бустерным маслом марки «Г», давление насы-
щенных паров которого при 50 С равно 0,02 Па вместо 12 Па
для масла Т22). Из оценок следует, что такая замена приводит
к снижению вероятного количества масла, попадающего в кон-
тур, примерно в 150 раз.
153
Рис. 4 19. Схема продувки насоса реактора БН-350 (проект):
/ расходомерная шайба; 2 компрессор; 3 фильтр-маслоотделитель; 4 фильтр-
ловушка; 5 — трубопровод отсоса паров масла; 6 ГЦН 7 трубопровод слива
масла. 8 подача очищенного газа. .9 сборник масла
Известен и конструкционный метод защиты от масляных
паров, практически полностью исключающий возможность их
проникновения в основной контур циркуляции. Это специальная
система продувки (рис 4.19), состоящая из компрессора 2,
фильтра-маслоотделителя 3, фильтров-ловушек паров 4, трубо-
проводов и арматуры. Газ с парами масла отбирается из нижней
подшипниковой полости насоса, очищается в фильтрах и затем
возвращается в щелевой зазор в области выгородки масляной
ванны и холодильника вала насоса При постоянно работающей
системе продувки с расходом 30 м3/ч диффузное проникновение
паров масла будет предотвращено. Попадание паров масла в бак
насоса из-за изменения давления в нем (пульсации) при нор-
мальной работе на частоте вращения 1000 об/мин, очевидно,
также будет невозможно из-за газодинамического затвора, соз-
данного системой продувки. Следовательно, при наличии системы
продувки проникновение паров масла в контур возможно только
по двум причинам:
с чистым потоком аргона, вдуваемого в щель для создания
газодинамического затвора Плотность паров масла в потоке
газа, выходящего из сорбционною фильтра-ловушки, составляет
не более одной десятитысячной плотности паров на входе в
фильтр-маслоотделитель Из расчета следует, что количество
154
паров, проникающих в бак с чистым аргоном при работе на
вакуумном масле, будет не более 6,5-10-4 г/год;
из-за снижения уровня в баке насоса при пуске из горячего
резерва.
Экспериментальная проверка на насосе реактора БН-350 под-
твердила эффективность указанной системы. Концентрация па-
ров масла снизилась примерно в 5 раз |7].
Однако более рациональным решением представляется рас-
положение уплотнения вала по газу ниже масляного подшип-
ника, как это сделано, например, в насосах реактора БН-600
(с.м. гл. 5). При этом резко сокращается количество паров масла
в области газовой полости ГЦН (за счет уменьшения расхода
масла, находящегося в контакте с газом) и полностью исключа-
ется возможность заброса масла в теплоноситель первого кон-
тура даже в случае разрушения УВГ. Последнее гарантируется
наличием внутренних полостей ГЦН обшей вместимостью 60 л,
в то время как объем масла, который может поступить при
аварийной ситуации из напорного бака и УВГ, заведомо не пре-
вышает 60 л |8]
Таким образом даже при ошибочных действиях обслуживающего персо-
нала масло в теплоноситель первого контура может быть заброшено лишь в слу-
чае реализации следующей цепи независимых событий:
происходит заправка напорного бака;
торцовое уплотнение ГЦН первого контура разрушено;
нижний сигнализатор уровня в напорном баке уплотнения не работает,
отсутствуют блокировка на отключение ГЦН и сигнал о неисправности тор
новою уплотнения.
проходимость масла по трубе Ду 20 слина протечек масла через нижнюю пару
трения уплотнения ГЦН отсутствует;
проходимость масла по трубе Ду 20 слива случайных протечек масла из
ремонтного уплотнения отсутствует,
проходимость масла по трубопроводу Ду 50 слива масла из камеры ава-
рийных протечек отсутствует;
напорный бак к моменту разрушения торцового уплотнения оказался полон,
резервные полости ремонтного уплотнения и камеры случайных протечек запол
йены и не могут дополнительно принять масло из заправочной емкости вмести-
мостью 50 л.
Очевидно, что одновременное наложение такого числа независимых событий
является крайне маловероятным. Поэтому можно заключить, что надежность
мер. предупреждающих заброс масла из насоюв .реактора БН-600 в перека-
чиваемый теплоноситель, достаточно высока и необходимость в специальной
системе продувки отсутствует
4.4.3. СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ УРОВНЯ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В БАКЕ
НАСОСА
Как уже отмечалось, все механические насосы для жидкого
металла — вертикальные, со свободным уровнем металла в баке.
155
Рабочее колесо насоса разметается на такой высоте, чтобы при
первоначальном заполнении реактора оно было полностью за-
лито. За счет расширения теплоносителя при разогреве контура
уровень его в насосе несколько повышается Кроме того, при
работе насоса некоторая часть теплоносителя постоянно прони-
кает в бак через узкую кольцевую щель между валом и корпусом
насоса, а в некоторых конструкциях в щель между баком и кор-
пусом из-за наличия перепада давления между заколесной по-
лостью и баком насоса. Изменения уровня в баке в зависимости
от режима работы установки могут быть значительными. Поэ-
tomv принимаются специальные меры для их ограничения [8]
Радикальным решением является применение привода с регу-
лируемой частотой вращения Такой привод позволяет эксплуати-
ровать насосы с постоянной подачей независимо от числа
параллельно работающих насосов
Реальны конструкционные решения с использованием специ-
альной системы по поддержанию уровня в баке. Однако это,
безусловно, усложняет насосный агрегат.
Оптимизация компоновочных и схемных решений для ЯЭУ
в целом также позволяет уменьшить колебания уровня в баке
насосов. Например, если выполнить общими входные и выходные
камеры у всех теплообменников, то можно свести к минимуму
колебание уровня в насосе независимо от числа функциони-
рующих в данный момент I ЦН. Если же этою не делать, то при
изменении числа работающих насосов с трех до одного (его
подача возрастет на 70%) изменение уровня в баке составляет
270% номинального значения [6, гл 2].
Для насосов с мапым заглублением рабочего колеса более
предпочтительная схема с поддержанием уровня в баке за счет
перелива теплоносителя по специальной трубе с возвратом его в
контур Возможны два варианта такой системы:
возврат протечек теплоносителя в контур вспомогательным
насосом, например электромагнитным (рис. 4.20). Подача вспо-
моютельного насоса должна регулироваться так, чтобы измене-
ния уровня в сливом баке нс превышали допустимых пределов;
саморегулируемый слив протечек в точку контура с давлением
меныпим, чем давление в баке нососа В этом случае линия воз-
врата протечек может быть внутренней, например через раз-
грузочные отверстия в рабочем колесе или, как выполнено в
насосах реактора БН-600 (рис. 4 21), по зазору между баком и
выемной частью (1 мм) и специальным отверстием (050 мм).
Если в процессе работы необходимо контролировать и регули-
ровать величину протечек, то наиболее удобен внешний контур
•с соответствующими контрольно-измерительными приборами
Саморегулируемая система поддержания уровня в насосах
реактора БН-350 представлена на рис. 4.22. Условия работы
насосов таковы, что за счет сопротивления всасывающего трубо-
156
1
2
3
4
Рис 4 20 Схема системы принуди-
тельного возврата протечек:
1 — бак I ЦН; 2 — соединение газовых
полостей, J — бак слива протечек;
4 — электромагнитный насос
Рис 4.21. Схема системы слива
протечек в насосе реактора Ы1-600:
/ рабочее колесо; 2 — всасывающая
улитка; 3 гидростатический подтип
ник, 4 бак; 5 вал
провода давление на всасывании меньше давления в баке насоса.
Для исключения возможности попадания газа через разгрузоч-
ные отверстия рабочего колеса на всасывание насоса применено
щелевое уплотнение вала с гарантированной протечкой в бак,
возвращаемой в основной контур, причем для ее возвращения
в насосах используется перепад между давлением в баке и дав-
лением во входном патрубке насоса Из бака насоса протечки по
специальной трассе слива протечек 5 возвращаются во всасы-
вающий трубопровод 6. На всех режимах работы слив протечек
осуществляется под уровень в бак слива протечек 3 (чтобы
предотвратить захват газа) Он представляет собой сепарацион-
ную емкость с поплавковым регулятором, который поддерживает
уровень в баке насоса таким, чтобы он всегда был несколько
выше сливного отверстия. Небольшое количество газа, которое
все-таки может попасть в натрий, выделяется в баке 3. Бак слива
157
Рис. 4.22. Схема системы поддержания уровня в насосе реактора БН 350
1 — реактор, 2 — насос первого контура; 3 - бак слива протечек 4 — теплообменник;
5 — трасса слива протечек; 6 — всасывающий трубопровод ГЦН
протечек (рис. 4.23) состоит из корпуса и поплавкового регуля-
тора. Корпус бака представляет собой емкость, в которую из
бака насоса поступает натрий. В регулятор входят поплавок 6,
соединительные тяги 5 и клапан. Клапан содержит корпус-седло
3, внутри которого помешается игла 2 с двумя тарелками Игла
изменяет проходное сечение клапана в зависимости от уровня
натрия в баке слива протечек. Перемещение иглы осуществля-
ется поплавком с помощью соединительных тяг. При пуске на-
соса создается перепад давления, который вызывает понижение
уровня натрия в бакс слива протечек Поплавок и игла клапана
перемещаются вниз до тех пор, пока игла полностью не пере-
кроет проходное сечение отверстия регулятора и не прекратится
снижение уровня. При отсутствии протечек из бака насоса игла
клапана находится в нижнем положении. При увеличении про-
течек уровень натрия в баке слива протечек поднимается вместе
с поплавком, в результате чего и увеличивается проходное сече-
ние регулятора до тех пор, пока количество натрия, поступаю-
щего в бак протечек, не станет равным количеству натрия, выте-
кающего из него Эта система весьма успешно в течение дли-
тельного времени функционирует на насосах реактора БН-350.
Некоторые характеристики поплавкового регулятора приведены
на рис. 4.24 и 4.25.
4.4.4. СИСТЕМА РАЗОГРЕВА
Насосы для перекачивания жидкого металла снабжены систе-
мой электрообогрева для предварительного разогрева их корпусов
158
Газ
Рис. 4 23. Конструкция бака слива протечек с поплавковым
регулятором разгруженного типа:
/ выходной патрубок 2 — игла: 3 — корпус-седло; / входной патрубок; 5 — сосди
нательные тяги; 6 поплавок; 7 — уровнемер
Рис. 4.25. Зависимость подачи
Q через клапан при различных
перепадах Н от высоты его
подъема й
Рис. 4.24. Зависимость протечек
q через закрытый клапан при
максимальном перепаде \ровней
(V/MaMr=9.5 м) от «азора Л
между иглой и корпусом седлом
регулятора и диаметра иглы
159
перед заполнением, а также для поддержания необходимой темпе-
ратуры металла внутри насоса. Температура внутри бака нат-
риевых насовов должна быть 150—200° С При выборе и раз-
работке типа электрообогрева в первую очередь необходимо
использовать готовые тепловые электрические нагреватели
(ТЭН). Достаточно надежно зарекомендовали себя и традицион-
ные электроспирали из нихрома (нагреватели сопротивления)
[8. гл. 2]. Целесообразно иметь 100%-ное резервирование элект-
рообогрева. Опыт эксплуатации показал также, что полезно
иметь нагреватели и на крышке насоса Эти нагреватели позво-
ляют перед пуском насоса расплавить натрий, застывший в щелях
между холодильником и валом насоса при его стоянке.
4.5. СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ
В качестве привода ГЦН преимущественно используется
электродвигатель. В реакторах ВВЭР и РБМК для привода
насосов, имеющих постоянную частоту вращения, применяются
асинхронные электродвигатели. Насосы первого и второго кон-
туров для реакторов на быстрых нейтронах в силу особенностей
теплотехнической схемы установки должны иметь плавное или
ступенчатое регулирование частоты вращения.
Известны следующие приводы ГЦН с регулируемой частотой
вращения, применяемые в настоящее время в отечественной
и зарубежной практике:
асинхронный электродвигатель с изменением частоты вра-
щения при помощи электромагнитных муфт, гидромуфт и зубча-
тых редукторов;
двшатель постоянного тока с pei улированием напряжения
в цепи якоря;
асинхронный двигатель с фазным ротором и жидкостным
реостатом в цепи ротора;
двухскоростной асинхронный электродвигатель;
синхронный электродвигатель со статическим преобразова-
телем частоты (вентильный привод);
асинхронный электродвигатель с фазным ротором, работаю-
щим в системе асинхронно-вентильного каскада (АВК).
Наиболее перспективными из перечисленных способов счи-
таются последние три, и именно они применяются в настоящее
время на современных установках [9, 10].
Привод насоса с двухскоростным асинхронным электродви-
гателем выгодно отличается из-за его простоты. Снижение
частоты вращения происходит ступенчато за счет подключения
обмотки с большим числом полюсов. Обмотка для малой скоро-
сти может быть выполнена независимо от обмотки для большой
скорости и подключаться к автономной сети аварийного источ-
ника. На рис. 4.26 приведена схема включения двухскоростного
160
Рис. 4 26. Схема включения
асинхронного двухскоростного
электродвигателя:
В — выключатель; М - асинхрон-
ный двигатель; ТГ — тахо>енера
тор, Кл ключ
электродвигателя. Достоинства Зда иного привода следующие:
относительная простота конструкции;
простота схемы управления;
возможность питания обмотки малой частоты вращения
от автономного источника, что увеличивает надежность привода;
возможность использования генераторного торможения для
уменьшения времени перехода с большей частоты па меньшую;
отсутствие систем регулирования частоты вращения, требую-
щих дополнительного помещения и снижающих надежность
электопривода.
К недостаткам следует отнести:
ступенчатое регулирование частоты, что сокращает диапазон
возможных режимов установки в целом;
большие пусковые токи, ограничивающие число пусков
электродвигателя;
более низкие энергетические показатели, чем у односкорост-
ного электродвигателя.
Привод насоса с синхронным электроде и га тел см и статиче-
ским преобразователем частоты (вентильный электропривод)
состоит из статического преобразователя частоты с естественной
коммутацией, синхронного неявнополюсного электродвигателя
и возбудителя с системой управления (рис. 4.27). Синхронный
двигатель более надежен по сравнению с асинхронным и обла
дает высоким пусковым моментом и малыми пусковыми токами,
чем обеспечивается пуск ГЦН из турбинного режима.
Недостатками данного электропривода являются:
наличие бесконтактного возбудителя, увеличивающего высоту
двигателя;
сложность переключения двигателя на сеть и обратно на пре-
образователь из-за наличия поля двигателя;
необходимость установки разделительного трансформатора
для уменьшения искажений, вносимых в цепь;
необходимость дополнительного помещения для преобразова-
теля частоты.
На рис. 4.28 приведена структурная схема АВ К, состоящего
из асинхронного электродвигателя с фазным ротором, управ-
ляемого роторного выпрямителя и управляемого инвертора.
Наличие управляемого роторного выпрямителя обеспечивает
возможность рекуперативного торможения двигателя, а также
161
1 1-173
162
позволяет снизить габаритную мощность инвертора и, следова-
тельно, всего электротехнического оборудования. По технико-
экономическим показателям АВК обладает следующими досто-
инствами по сравнению с другими приводами:
высоким КПД;
использованием аппаратуры на напряжение не выше 1000 В;
малыми искажениями напряжения, вносимыми в сеть;
изменением частоты вращения без размыкания токовых цепей;
возможностью работы в аварийных режимах на сопротивле-
ниях в цепи ротора.
К недостаткам данного привода относятся:
сложность изготовления двигателя с фазным ротором;
большое количество оборудования;
необходимость периодической замены щеток электродвига-
теля.
Таким образом, регулируемый электропривод сложнее, более
дорогостоящ, требует большей площади для размещения обору-
дования и менее надежен, чем привод с фиксированной часто-
той вращения.
Оценивая характеристики регулируемых приводов, необхо-
димо отметить, что в режиме малой частоты вращения все они
имеют низкие энергетические показатели вследствие неполною
использования мощности электрооборудования, что особенно
заметно в длительных режимах расхолаживания или перегрузки
активной зоны реактора В этих случаях целесообразно исполь-
зовать специальный электродвигатель — «пони-мотор», установ-
ленный на главном электродвигателе и связанный с насосом
через редуктор Мощность «пони-мотора» в 5—10 раз меньше
мощности (в указанных режимах) регулируемых приводов и
почти в 2 раза двухскоростных электродвигателей.
Г л а в а 5
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ НЕКОТОРЫХ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ГЦН
5.1. НАСОСНЫЕ АГРЕГАТЫ ДЛЯ ВОДЫ
5.1.1. ГЕРМЕТИЧНЫЕ НАСОСЫ
Главные циркуляционные насосы ЦЭН-138 Нововоронежской
АЭС (НВАЭС). По массогабаритиым характеристикам эти
насосы (рис. 5.1) можно отнести к наиболее крупным насосам
данного типа. ГЦН состоит из прочно-плотного корпуса 7 с двух-
заходной спиральной улиткой 5 и выемной части 2. Корпус на
сварке крепится к напорному 4 и всасывающему 8 патрубкам.
Выемная часть уплотнена в корпусе самоуплотняющейся кли-
новой никелевой прокладкой 3
163
Рис. 5.1 Конструкция центробежного электронасоса I блока Нововоронежской
АЭС:
/ пята упорная; 2 — выемная часть; 3 — прокладка. 4 — напорный патрубок; 5
улитка; б — рабочее колесо; 7 — корпус; 8 — всасывающий патрубок
164
Рис. 5.2. Электронасос III и IV блрков Нововоронежской АЭС:
/ подставка, 2 — нижний радиальный подшипник; 3 — мембрана; 4 — шпильки
главного разъема, 5 — шпильки с тарельчатыми пружинами разъемов статора; 6 —
вспомогательный насос, 7 — холодильник автономного контура; 8— электроввод;
9 клеммная коробка; 10— вспомогательное колесо. 11 — радиально-осевой подшнн
ник; 12 ротор 13 — обмотка статора электродвигателя 14 — электронентилятор;
15 — железо статора; 16 — перегородка, 17 защитная плита; 18 — корпус; 19 - рабо-
чее колесо с маховиком; 20— направляющий аппарат. 21 — фундаментная плита;
22 опора на шаровых катках
165
Рабочее колесо 6 двухстороннего всасывания с коэффициен-
том быстроходности равным 165, крепится на нижнем конце
ротора электродвигателя, ротор вращается в трех радиальных
подшипниках скольжения. Пары трения в подшипниках —
пластмасса К-4 (втулка в корпусе) по бескобальтовой напЛавке
ЦН-12. Осевая нагрузка воспринимается двухсторонним осевым
подшипником /. Для отвода тепла от подшипников, статорной
нихромовой перегородки (толщина 0,4 мм) и ротора предусмот
рен контур охлаждения (см. рис. 4.2, а).
В режиме расхолаживания реактора ГЦН работает с частотой
вращения 375 об/мин, которая обеспечивается второй обмоткой
электродвигателя, питаемой от автономного источника Насосный
агрегат вместе с постаментом на четырех роликовых опорах
свободно перемещается по фундаментной плите в любом
направлении усилием не более 10 кН Подвижное крепление ГЦН
позволяет отказаться от температурных компенсаторов на цир-
куляционных трубопроводах и благодаря этому оптимально ском-
поновать последние. Насосный агрегат представляет собой доста-
точно сложную конструкцию, оснащенную вспомогательными
системами, необходимыми для охлаждения некоторых сто узлов,
что в целом снижает КПД и надежность агрегата, увеличивает
его стоимость.
На II блоке ИВ АЭС применен насос ГЦН-309 В связи с фор-
сированием мощности реактора с 210 до 365 МВт несколько
изменились параметры теплоносителя, что в определенной мере
отразилось на характеристике ГЦН (см. Приложение 1) Неко-
торые изменения были внесены и в конструкцию ГЦН. Они
коснулись в основном проточной части: консольно расположен-
ное центробежное рабочее колесо одностороннего всасывания
и двухзаходная спиральная улитка размещены в штампосварном
прочно-плотном корпусе. Выемная часть без изменений заим-
ствована из ГЦН I блока.
На III и IV блоках НВАЭС успешно эксплуатируются новые
по конструкции насосы ГЦН-310 (рис. 5.2), спроектированные
с учетом последних достижений в области создания герметичных
ГЦН, а также компоновочных особенностей установки Подобные
насосы установлены также на Кольской АЭС, на АЭС «Koz-
loduy» в Болгарии, АЭС «Bruno Loischner» в ГДР и др
[3, гл 2].
Изменения коснулись параметров насоса (см. Приложение 1)
и, в максимальной степени, его конструкции. Насос имеет сле-
дующие детали и узлы: штамносварной гидравлический кор-
пус 18\ два радиальных подшипника 2 и //; рабочее колесо 19
одностороннего всасывания с дополнительно присоединенной
массой, выполняющей роль маховика; направляющий аппа-
рат 20', цельнотянутую нихромовую перегородку 16 длиной 1600
и диаметром 410 мм с компенсацией линейных расширении,
166
Рис 5.3 Конструкция шаровой подвижной опоры насоса:
1 — ПО1ПЯТНИК, 2 — винт 5 плита верхняя и инж.чяя соответственно; / защитный
кож х 6 шары: 7 — обойма
уплотнение главного разъема прямоугольной прокладкой с за-
тяжкой шпильками 4 сопрягаемых фланцев через комплект
тарельчатых пружин; новый антифрикционный материал 7В-2А
для вкладышей подшипников; выемную часть (электродвигатель
с проточной частью), которая может монтироваться в корпус
и демонтироваться из него без отсоединения последнего от трубо-
проводов; подвижную подставку 1 с четырьмя шаровыми опо-
рами (рис. 5.3), на которой установлен весь насосный агрегат
вместе с оборудованием вспомогательных систем; эластичную
мембрану 3 по периметру корпуса 18, герметично отделяющую
помещение первого контура от помещения обслуживания.
Габаритные размеры двигателя несколько увеличены в целях
снижения удельной плотности тока и, следовательно, темпера-
туры изоляции обмотки.
Рассмотрим электронасос ГЦН 310 вертикальною исполнения
(рис 5.4) Ротор 4 насоса вращается в теплоносителе в под-
шипниках скольжения 3. Подшипники смазываются и охлаж-
даются теплоносителем автономного контура. Разгрузка ротора
от осевых сил осуществляется автоматически в специальной
разгрузочной камере 11, находящейся за рабочим колесом, а
также в камере за вспомогательным колесом При работе насоса
давление в разгрузочной камере устанавливается таким, при
котором ротор находится во взвешенном состоянии Частичная
разгрузка ротора от радиальных сил достигается вертикальным
расположением ротора и динамической балансировки его в сборе.
Избыточные осевые силы, возникающие вследствие неполной
осевой разгрузки, особенно на переходных режимах, восприни-
маются осевым подшипником 6
В качестве трущейся пары применяется пластмасса 2П-1000-
ЗП (вкладыши), а втулка вала выполняется из хромоникелевого
167
Рис. 5.4. Конструкция насоса
ГЦН-310 реактора ВВЭР-440
/ — рабочее колесо 2 — корпус
проточной части, 3— радиальный
подшипник. 4 ротор 5 обмот
ка статора; 6 — пн а осевого под-
шипника; 7 вспомо! ательное ко-
8 лесе. 8 — корпус насоса 9
статорная перегородка; 10 холо-
дильник статора. 11 разгрузоч-
ная камера
Вход жидкости.
сплава ВЖЛ-2. Термостойкость пластмассы 2П-1000-ЗП состав-
ляет около 280° С.
В гидравлическую часть ГЦН входят прочный корпус 8
с всасывающим и нагнетательным патрубками и проточная
168
часть, состоящая из раоочего колеса, направляющего аппарата
на выходе из колеса и сборной камеры.
Статор электродвигателя (рис. 5.4) включает в себя пакет активного железа,
обмотку, корпусные детали и переюродку Пакет активного железа набран
из листов (толщина 0 5 мм) электротехнической стали Поверхности листов
покрыты электроизолирующей фосфатной пленкой Пакет пропитан бакелитовым
лаком, спрессован и удерживается прн помощи нажимных плит, которые кре-
пятся к корпусу статора болтами.
Обмотка статора однослойная, катушечного типа с концентрическим рас-
положением катушек Изоляция обмотки выполнена из кремнийорганичсских
изоляционных материалов и пропитана кремнийорганнческим компаундом, а
лобовые части дополнительно покрыты кремнииорганической эмалью Обмотка
соединяется в схему через фазные шины
Охлаждение обмотки статора воздушно водяное, осуществляемое водой,
прокачиваемой через холодильник в корпусе и воздухом, циркулирующим через
полости лобовых частей обмотки Воздух подводится в статорную полость через
специальные отверстия и пазы в корпусных деталях. Лобовые части обмотки
изолированы от внешней среды крышкой и от рабочей полости экраном, который
со стороны статорной полости имеет встроенный водяной холодильник. Внутрен-
ние поверхности крышки и экрана покрыты электроизоляцией из кремнийорга
нических материалов Колпак и экран крепятся к корпусу статора шпильками
и гайками через пакеты тарельчатых пружин, устраняющих влияние на пере
городку тепловых расширений.
Перегородка статора изготовленная из нихрома (толщиной 0,4 мм), на
концах приварена роликовой сваркой к внутренним обечайкам крышки и экрана
Электроизоляция перегородки от железа статора выполнена из ткани стеклян
ного волокна, наклеенной па расточку статора бакелитовым лаком.
Ротор электродвигателя выполнен цельнокованым из нержавеющей магнит-
ной стали. Он имеет короткозамкнутую обмотку из стержней, припаянных по
концам к замыкающим кольцам, которые напрессованы на ротор через проме-
жуточные кольца из немагнитной стали Стержни в пазах ротора фиксируются
бандажами, исключающими возможность перемещения стержней в радиальном
направлении под действием центробежных сил Короткозамкнутая обмотка
защищена нихр >мовой рубашкой, приваренной роликовой сваркой к бандажам
и к ротору
Электродвигатель имеет фазные выводы, служащие для подвода электро-
питания к обмотке статора и представляющие собой токоведущие стержни, пропу-
щенные через проходной фарфоровый изолятор. Конструкция вывода позволяет
осуществить передачу электроэнергии от внешнего источника к статору без нару-
шения требования по плотности, предья вл немого к статорной полости.
В ГЦН предусмотрены две самостоятельные системы охлаждения. Система
автономного контура предназначена для охлаждения и смазки подшипников
и снятия тепла от рогора и статора электродвигателя теплоносителем, который
при работе ГЦН перекачивается вспомогательным колесом через холодильник, а
при остановке ГЦН на горячем теплоносителе вспомогательным электронасо-
сом Обратный клапан при работе вспомогательного насоса автоматически
169
Рис 5.5. Центробежный электро-
насос I блока Белоярской АЭС:
1 — рама; 2 10 — радиальный нижний
и верхний подшипники; соответственно:
3 кожух; 4 проточная часть;
5 — радиальный подшипник 6 —вспо-
могательный насос; 7 статор; 8 —
ротор 9 клеммник II холодиль-
ник
закрывается, и теплоноситель ав
тономного контура циркулирует с
помощью рабочего колеса вспомо-
гательного насоса.
Из холодильника теплоноситель
поступает в верхнюю полость
ГЦН на всасывание вспомогатель-
ного колеса, проходит верхний осе-
вой и радиальный подшипник, ро-
торную полость, нижний подшип-
ник, сверление в корпусе экрана и
по сливной трубке через обратный
клапан поступает на охлаждение в
холодильник.
Система промежуточного кон-
тура обеспечивает подачу воды по
напорной трубе в коллектор, из
которого распределяется по трем
параллельным потокам через
холодильник автономного кон-
тура 9 кг/с, через холодильник ста-
тора 3 кг/с, через экран статора
0,5 кг/с Для охлаждения воз-
духа в воздухоохладителе имеется
отдельная трасса с расходом
0,5 кг/с Кроме того, нредусмот
рено охлаждение обмотки статора воздухом.
Воздух по воздухопроводу нагнетается вентилятором во входной патрубок
статора и распределяется через специальные сверления к верхним и нижним
лобовым час!ям обмотки Нагретый воздух через фрезерованные пазы в статоре
поступает к выходному патрубку и через воздухоохладитель — па всасывание
вентилятора
Поскольку энергия от статора к ротору передается индуктивно через ста-
торную перегородку, в ней возникают неизбежные потери, достигающие 17%
мощности привода Большие потери образуются и при трении ротора о воду.
В связи с этим суммарный КПД электронасоса равен 69%. Общие потери
составляют около 560 кВт: в статорной перегородке 317 кВт, при зрении о воду
90 kBi. в обмотке статора, активном железе и роторе 153 кВт.
Главные циркуляционные насосы Белоярской АЭС (БАЭС)
(рис. 5.5). Па I блоке в нормальном режиме функционируют
170
параллельно два ГЦН марки ЦЭН-133. При отключении одного
из них автоматически останавливается второй и одновременно
включаются два герметичных АЦН, которые используются при
нормальном расхолаживании и имеют подачу, равную примерно
15% рабочей. Выемная часть ГЦН по компоновке имеет много
общего с ГЦН I блока НВАЭС: неконсольное расположение
рабочего колеса, трехопорный вал, всасывающий и напорный
патрубки, размещенные в горизонтальной плоскости, воздушное
охлаждение лобовых частей обмотки статора и т. п Несколько
усложненной получилась система охлаждения ГЦН — введен
второй (автономный) контур со своим вспомогательным колесом,
насаженным на нижний конец вала. За основным рабочим коле-
сом установлен направляющий аппарат
Для II блока БАЭС были созданы более мощные герметичные
насосы — четыре на один блок (по два на каждый барабан-
сепаратор). При остановке одного из четырех I ЦН, например,
с левой стороны автоматически останавливается один из насосов
правой стороны, и реактор переходит на 50%-ную мощность.
Вспомогательные насосы в системе отсутствуют.
Насосы атомной станции теплоснабжения АСТ-500 Они
используются для подачи запирающей воды в приводы СУЗ и
создания циркуляции в системе очистки первого контура. Номи-
нальные параметры: подача 90 м3/ч, напор 100 м, мощность
52 кВт, напряжение питающей сети 380 В, масса в сухом состоя-
нии 900 кг.
Насос (рис. 5 6) представляет собой вертикальный агрегат
с верхним расположением электродвигателя Проточная часть
включает в себя литое рабочее колесо 4 с приварным покрывным
диском, направляющий аппарат 6, конфузор 3 и гидрокамеру 7.
Радиальный лопаточный аппарат направляет воду от рабочею
колеса в гидрокамеру. Конфузор 3 является продолжением
всасывающего патрубка / гидрокамеры. На конфузоре уста-
новлены разрезные уплотняющие кольца 2 для уменьшения
перетечек воды из гидрокамеры на вход насоса. Направляющий
аппарат и конфузор крепятся шпильками и ганками к корпусу
электродвигателя.
Гидрокамера имеет конфузорный всасывающий патрубок /
и напорный патрубок 29 Выемная часть крепится к гидрокамере
шпильками 8. Уплотнение разъема между корпусом и гидро-
камерой осуществляется усиковым сварным швом 25.
Электродвигатель — асинхронный, работает на 3-фазном
переменном токе. Статор 21 установлен в корпусе 24 и гермети-
чески отделен от полости ротора перегородкой статора 20, опи-
рающейся на расточку пакета магнитопровода. Торцы статорной
перегородки приварены к корпусу электродвигателя, в который
вварены металлокерамические электровводы 10, закрытые короб-
кой зажимов.
171
Вход жидкости.
Рис 5 б Насос атомной
станции теплоснабжения
АСТ-500
/ всасывающий патру-
бок. 2 уплотняющие коль
ца; 3 — конфузор. 4 —
рабочее колесо; 5 соеди-
нительное отверстие; б —
направляющий аппарат;
7 гидрокамера; 8
шпильки; 9. 13— радиаль-
ные подшипники, 10 —
илектровводы; I! — крыш-
ка; 12 — вспомогательное
колесо; 14 штуцер; 15 —
дроссель; 16 сверление в
роторе 17 — медная про-
кладка; 18, 23—отверстия
для циркуляции контурной
воды, /9 — холодильник;
20 перегородка статора;
21 — статор 22 — ротор
24 — корпус; 25 — сварной
шов, 26 28 гидрозатво-
ры; 27 — лабиринтное уп-
лотнение, 29 — напорный
патрубок
172
Корпус статора и электровводы выдерживают давление пер-
вого контура в случае разрушения перегородки статора
Ротор 22 электродви! ателя цельный, с короткозамкнутой
обмоткой, которая закрыта гильзои, напрессованной на вал
ротора. На верхнем конце ротора расположено вспомогательное
колесо /2, выполняющее функцию пяты в осевом подшипнике и
одновременно обеспечивающее циркуляцию воды в автономном
контуре и создающее напор для разгрузки подшипников от осе-
вой силы. Ротор вращается в двух радиальных подшипниках
9 и 13 Разъем между корпусом и крышкой 11 уплотняется
модной прокладкой 17 Газ из-под верхней крышки удаляется
через штуцер 14.
Смазка и охлаждение подшипников, а также охлаждение
ротора и статора осуществляются водой автономного контура,
которая циркулирует по винтовой нарезке холодильника 19.
По системе отверстий 18 в корпусе статора вода автономного
контура попадает пол верхнюю крышку на всасывание вспомо-
гательного колеса, затем через верхний подшипник 13 направ-
ляется в зазор между ротором и статором и через нижний под-
шипник 9 и отверстия 23 возвращается в холодильник
Полость под верхней крышкой соединена со входом рабочего
колеса сверлением 16 в роторе За счет напора рабочего колеса
создается перепад давления между полостью под верхней крыш-
кой и входом рабочего колеса, обеспечивающий удаление газа
из-под крышки
Автономный контур подпитывается напором с рабочего ко-
леса 4 через сверления 5 в направляющем аппарате и зазор
в лабиринтном уплотнении 27 ротора Охлаждение остановлен-
ного насоса осуществляется за счет естественной циркуляции
воды в автономном контуре.
Для уменьшения конвективного теплообмена между перека-
чиваемым теплоносителем и водой автономного контура в нап-
равляющем аппарате и в отверстии ротора установлены гидро-
затворы 26, 28 и дроссель 15.
Описанные конструкции отечественных герметичных ГЦН
для ЯЭУ и АЭС обладают высокой надежностью и большой
длительностью работы без ремонта или замены.
Герметичные насосы фирмы «Westinghouse Electric» (США).
Эта фирма — одна из первых зарубежных фирм, организовавшая
проектирование и поставку герметичных насосов нескольких
типоразмеров для первых контуров стационарных и судовых
ЯЭУ. Установленные мощности этих ГЦН колеблются от 35
до 1550 кВт. Дя насосов данной фирмы характерны высокая
частота вращения (1800—3000 об/мин) и повышенное (440 В)
напряжение питающего тока, принятое в американских стан-
дартах В качестве типовой конструкции можно рассматривать
герметичный насос С-150 (рис 5.7), рассчитанный на подачу
173
Рис 5.7. Центробежный герметичный насос фирмы «Westinghouse Electric».
/ - подшипник; 2~ болт; — герметичная статорная перегородка; 4 рубашка ротора. 5 — ротор; 6 нажимной лист; 7 -импеллер
(У _ крышка; 9 клеммная коробка; 10 электронной, // подшипник; Г2 обмотка; 13— магнитопровод; 14 — змеевик; /5 — кожух
/б — мотор; /7 — осевой подшипник; /Л1 — корпус; /9 - крышка — лабиринтное уплощение; 20 — гайка; 21 - рабочее колесо; 22
улитка
174
36 м3/ч и напор 84 м. Асинхронный электродвигатель с корот-
козамкнутым ротором мощностью 12,5 кВт питается переменным
током 440 В, 25 А и 60 Гц. Частота вращения ротора электро-
двигателя 3480 об/мин. Прочно-плотный корпус насоса и улитка
выполнены из нержавеющей стали. Ротор электродвигателя
вращается в двух графитовых гидродинамических радиальных
подшипниках 1 и //. Рабочее колесо насоса разгружено от
осевых гидравлических сил, а масса вращающихся частей вос-
принимается пятой 17 с рабочей поверхностью из графита.
Упорные колодки пяты и шейки вала радиальных подшипников
направлены стеллитом. Корпус уплотняется в улитке с помощью
круглого кольца из нержавеющей стали и, дополнительно, торо-
идальным уплотнением. Кроме того, предусмотрено место для
резиновой прокладки, используемой при стендовых испытаниях.
Всасывающим и напорным патрубками ГЦН приваривается
к циркуляционным трубопроводам КМПЦ Ротор, статорная
перегородка и подшипники электродвигателя охлаждаются во-
дой, циркулирующей по замкнутому контуру с помощью импел-
лера 7, расположенного на роторе. Контур охлаждения защищен
от попадания горячей воды с напора рабочего колеса лабиринт-
ным уплотнением.
Насосы фирмы «Westinghouse Electric» характеризуются
высокой надежностью и компактностью конструкции [3, гл. 2] *.
Герметичные электронасосы разрабатываются и некоторыми
западноевропейскими фирмами, в частности фирмой Великобри-
тании «Hayward Tyler» [3; 4, гл. 2]. Продольный разрез одного
из таких насосов представлен на рис. 5.8. Его конструкция
отличается от предыдущих тем, что имеет двигатель с «мокрым»
статором и рабочее колесо диагональной формы. Переход от
центробежного рабочего колеса к диагональном} связан с суще-
ственным увеличением подачи при заданном напоре. Корпус
насоса состоит из трех частей 7, // и 17, прочно-плотно соеди-
ненных друг с другом. В промежуточном корпусе 11 предусмот-
рен по торцу экран для защиты от эрозионного воздействия
теплоносителя. Как правило, ГЦН данной фирмы имеют длинную
и узкую горловину между рабочим колесом и радиальным под-
шипником 9, что обьясняется необходимостью эффективного
снижения температуры теплоносителя, поступающего в виде
протечек в полость статора. Из рис. 5.8 видно, что ГЦН может
монтироваться двигателем вниз, если того требует компо-
новка ЯЭУ.
Благодаря отсутствию металлической перегородки КПД
двигателя несколько выше, чем КПД других герметичных ГЦН,
но все же меньше КПД обычных двигателей.
Этой фирмой разработай для АЭС электрической мощностью 1000 МВт герметич
ный насос с подачей 14 000 м /ч и мощностью 3500 кВт Однако он не был использо-
ван в реальной ЯЭУ
175
вход жидкости
11
70
6
4
2
Продубка.
Дренаж^
9
8
Вход _
охлаждаю-
щей воды
7
77
76
15
/4
73
12
выход
жадности
Рис. 5.8. Гермегич-
насос фирмы
Tyler»
корпуса;
подшип
НЫИ
«1 layward
I — крышка
2 — осевой
ник, 3 — корпус ра-
диально-осевого под-
шипника; 4. 9
нижний и верхний
радиальный подшип-
ник соответственно
5 ротор электро
дви1ателя. 6 — ста-
тор электродвигате-
ля; 7 — корпус при
водного электродви-
гателя; Я — корпус
верхнего радиально-
го подшипника; 10
втулка вала; II-
промежуточный кор-
пус; !2 — экран;
13 шпонка рабоче
го колеса; 14 — ра-
бочее колесо; /5 —
защитное кольцо ра-
бочего колеса; 16
лабиринт 17 — верх-
ний корпус насоса
176
Общие сведения по технологии изготовления статора и ротора Статор
Для того чтобы вода не попадала в сухой статор, в зазор между ротором и
статором вставляется тонкая (0.5 мм) металлическая немагнитная перегородка
герметично соединяемая с корпусом статора Очевидно, что по условиям проч-
ности такая тонкая перегородка не может выдержать внутреннее давление,
действующее в полости насоса. Прочность перегородки обеспечивается тем, что
она опирается на пакет железа статора, т. е. силу от давления воспринимает
пакет железа статора Основным требованием, которому должна удовлетворять
конструкция cvxoro статора, является обеспечение надежной работы перегородки
во всех эксплуатационных режимах насоса. Для этого необходимо, чтобы
действующие на нее силы от внутреннего давления и температурных расшире-
ний не приводили к образованию остаточных деформаций, т е. чтобы пере-
городка всегда работала в области упругих деформаций. Пакет железа статора
набранный из большого числа тонких листов, не должен расслаиваться под
действием усилий от внутреннего давления, так как в противном случае в обра-
зовавшиеся зазоры между листами будет выдавливаться перегородка, что при-
ведет к ее разрушению
Различают два типа конструкций статора жесткий и с компенсаторами.
Жесткий статор характерен тем, что представляет собой систему, не имею-
щую каких-либо компенсационных звеньев в осевом направлении В такой
системе из-за того, что корпус статора имеет значительно большую жесткость,
чем перегородка, деформация последней будет равна деформации корпуса во
всех режимах, а напряжения от разности температурных деформаций в осе-
вом направлении целиком будут восприниматься перегородкой.
Статор с компенсаторами выполняется в виде гибких диафрагм, позволяю-
щих компенсировать разность температурных деформаций в осевом направле-
нии, а также иметь различную осевую деформацию корпуса и перегородки.
Это создает более легкие условия работы перегородки, хотя конструкция ста-
тора получается сложнее.
Пакет железа статора выполняется шихтованным, т. е. набирается из
отдельных штампованных листов толщиной 0,35 0,5 мм, изготовляемых из раз-
личных марок электротехнических сталей Паз статора делается закрытым,
чтобы обеспечить целостность перегородки. Высота перемычки выбирается из
условий прочности и зависит от диаметра расточки и действующего давления.
Для насосов малой мощности (с небольшим диаметром расточки) возможно
применение открытых пазов
Поверхность листов железа перед сборкой в пакет изолируется путем нане-
сения тонкого фосфатного слоя или тонкого слоя бакелитового лака. Листы
железа статора вырубаются в комбинированном штампе из карт, которые
вырезаются из поставляемых металлургическим заводом больших листов транс-
форматорного железа. Как правило, эти листы имеют разную толщину в направ-
лении прокатки Следовательно, и вырубленный лист железа статора будет иметь
разную толщину. Это приведет к тому, что при сборке пакета статора обра-
зуется «веерность», т. е. разная длина пакета по образующим. Веерность не
позволяет равномерно сжимать пакет в осевом направлении, что приводит
к расслоению пакета под действием сил давления, передаваемых от перегородки.
Поэтому пакет необходимо набирать так, чтобы получить минимальную
177
12-173
веерность. Для этого листы в пакет набираются таким образом, чтобы по одной
образующей соприкасались листы с разной толщиной. Листы, набранные в пакет,
спрессовываются с удельным давлением до 3,5—6 МПа Для обеспечения моно-
литности пакета рекомендуется осуществлять пропитку его бакелитовым лаком
в вакууме с последующей полимеризацией.
Катушки обмотки статора должны укладываться в паз железа с возможно
меньшим воздушным зазором так как его наличие ухудшает условия тепло-
отвода от обмотки. Для обеспечения этого пазовая часть катушки предварительно
формуется в специальных пресс-формах. Выполняются катушки из обмоточного
провода прямоугольного сечения При закрытом типе паза обмотка выполняется
методом протяжки поэтому лобовая часть первоначально формуется после
укладки всех катушек в пакет железа статора. Соединение катушек осушест
вляется перемычками с помощью пайки Нагрев мест пайки выполняется спе
циальными индукторами с помощью токов высокой частоты, что позволяет
нагреть место пайки без повреждения близлежащей изоляции
Для электроизоляцни обмотки необходимо применять возможно более тепло-
стойкие материалы (стеклоленту. стеклотекстолит, кремнийорганические лаки
или компаунды)
Для обеспечения ровной (без уступов) поверхности расточки статора, что
создает благоприятные условия для работы перегородки, рекомендуется прово-
дить шлифовку после окончательной сборки пакета Расточка пакета статора
перед установкой в него перегородки обклеивается тонкой (0,1—0,2 мм) электро-
изоляцией для исключения непосредственного контакта перегородки с листами
железа, что делается с целью снижения электрических потерь в железе статора
и предотвращения возможного прожигания перегородки от образования искры
в месте плохого контакта.
Подвод тока к обмотке осуществляется через гермовводы На рис 5 9
приведен один из типов гермоввода, у которого токопроводящий стержень
соединен с керамическим изолятором герметичной пайкой через гильзу из спе-
циального материала а стальная втулка приварена к корпусу статора
Статорная перегородка выполняется из материала который должен быть
немагнитным, иметь высокое удельное сопротивление, высокую коррозийную
стойкость, улучшенные механические свойства, быть пластичным и хорошо под
даваться сварке В отечественной практике для изготовления перегородки исполь-
зуется сталь ЭИ 435
Рис 5.9 Гермоввод:
/ — стержень; 2 — корпус 3. 6 — изоляторы: 7 — гильза; 5 — втулка
178
По концам перегородка приваривается к корпусу статора контактной роли-
ковой или аргонно-дуговой сваркой Перед сваркой концы перегородки разваль-
цовываются до плотного соприкосновения с повсрхнос ью ста ора. Для обесне
чения высокого качества приварки эта операция должна быть ав омати ир вана
и в процессе сварки должен автоматически поддерживаться заданный режим.
Контроль качества сварки выполняется путем опрессовки с последующей про-
веркой на герметичность гелиевым течеискателем Применение аргонно-дуговой
сварки позволяет дополнительно проверить качество сварного шна рентгеном.
Расчет перегородки на прочность представляет собой весьма сложную
задачу В кем необходимо учитывать не только напряжения от давления, но и
возникающие при различных режимах (в том числе и переходных) температурные
напряжения. В свою очередь, температурные напряжения зависят от распределения
температур в различных частях статора. Теоретическое определение этих темпе-
ратур особенно в переходных режимах, представляет большие сложности и может
быть выполнено весьма приближенно Поэтому расчет прочности перегородки
носит оценочный характер
Основная проверка прочности перегородки должна выполняться при испы-
тании опыт пых образцов, при этом необходимо воспроизвести все эксплуатационные
режимы работы насоса (стационарные и переходные)
Необходимо также иметь в виду что минимальное давление в роторной
полости, обеспечивающее безопасную эксплуатацию насоса, равно давлению,
при котором за счет деформации перегородки ликвидируется монтажный зазор
между статором и перегородкой. Эксплуатация насоса при наличии некоторого
зазора между перегородкой и статором опасна, так как перегородка может войти
в колебательное движение и за короткий период потерять герметичность нчза
образования усталостных трещин
Значение этого давления может быть определено из выражения pmu
^26Д/I D\ где д — толщина перегородки А диаметральный монтажный
зазор, /' модуль упругости материала перегородки; D диаметр перегородки.
Ротор Применяются два типа роторов цельнокованый в котором активное
железо ротора выполняется как целое с валом, и составной, где активное
железо ротора выполняется отдельно от вала.
На рис. 5 10 изображен цельнокованый ротор на рис 5.11 —составной.
Цельнокованый ротор изготовляется из стали 0Х17Н у составного же активное
железо ротора может быть выполнено как монолитным, так и шихтованным.
Ротор имеет короткозамкнутую «беличью клетку», которая выполняется либо
заливкой, либо сваркой из стержней, приваренных по концам к кольцам.
Материал беличьей клетки — алюминий медь, латунь Как правило беличья
Рис 5 10 Цельнокованый ротор:
/ 6—подшипниковые втулки, 2— защитная рубашка; 3 5— защитные кольца; 4
стержень беличьей клетки; 7 — вал с сердечником
179
Рис. 5 11. .Составной ротор
/, 9 втулки подшипников 2 8 защитные торцовые плиты 3—шихтованный
пакет активного железа; 4 гильза пакета 5 — стержень беличьей клетки; 6 — вал;
7 — защитная рубашка
клетка защищается от контакта с водой Для этого по торцам ротора на вал
надеваются и герметично привариваются плиты из нержавеющей стали, а на
цилиндрическую поверхность надевается защитная рубашка из нержавеющей
стали GXI7H или 0X18HI0T. привариваемая герметично к этим плитам
Длительный опыт эксплуатации герметичных насосов показал, что они
работают достаточно эффективно. Межремонтный период составляет несколько
десятков тысяч часов 11 ].
Дальнейший рост единичной мощности ЯЭУ потребовал разработки ГЦН
с подачей 30000 м3/ч и мощностью приводного двигателя до 8000 кВт. Созда
нис и использование герметичных насосов такой мощности технически едва ли
оправдано
5.1 2. НАСОСЫ С УПЛОТНЕНИЕМ ВАЛА
Конструкционная схема ГЦН с уплотнением вращающегося
вала для АЭС всех типов практически сложилась: это насосы
вертикального исполнения с электроприводом и рабочим колесом
центробежного или диагонального типа. Вертикальный насос
более компактен и доступен для обслуживания и ремонта, чем
горизонтальный Протечки через уплотнение ГЦН обычно состав-
ляют от нескольких литров до нескольких сот литров в час
Применение ГЦН с уплотнением связано, в первую очередь,
с обеспечением высокой ремонтопригодности уплотнения и его
систем и сведением к минимуму последствий повреждения или
выхода уплотнения из строя
Необходимо особо остановиться на проблеме крепления на-
сосов к фундаменту. Дело в том, что стабильность работы и меха-
ническая устойчивость насоса являются необходимым условием
работоспособности подшипниковых опор и уплотнения вала [2].
Но в реальных условиях в зависимости от компоновки ЯЭУ на ГЦН
воздействуют (или могут воздействовать) следующие нагрузки:
от температурных расширений примыкающих трубопроводов;
сейсмические; динамические при разрыве трубопроводов, обуслов-
ленные реактивным действием вытекающей струи (до 20 000 кН).
180
Рис. 5.12. Конструкция
насоса реактора РБМК-
1000.
/ — покрывной диск нап-
равляющего аппарате; 2
Слив масла
Масло в
подшипник
рабочее колесо; 3—нап-
равляющий аппарат; 4
корпус; 5 — промежуточная
плита; 6 — прокладка. 7 —
крышка с горловиной; 8 —
вал; 9 — станина, 10 уп-
лотнение вала, //—корпус
подшипника; 12 — пята
Выход
перекачива-
емой мод-
ности
СлиВ масла
Слив из
ГСП
Подача
Т~ГСП
Выход
Воды
Вход перекачиваемой модности
—-- Слив протечек
—— СлиВ протечек
*—Вода В уплотнение
—► Вода из
уплотнения
181
Если учесть, что масса ГЦН большой мощности для совре-
менных АЭС достигает 100—120 т, то становится очевидной
сложность проблемы крепления таких агрегатов. Приемлемые
решения достигаются путем создания специальных подвижных
опор с фиксирующими и ограничивающими элементами, а также
дополнительной стабилизацией ГЦН демпферными устройствами
на случай землетрясения
При неподвижном креплении ГЦН на примыкающих к нему
трубопроводах предусматриваются компенсаторы температурных
расширений.
Насосы АЭС с реакторами РБМК- На этих АЭС используется
вертикальный центробежный с уплотнением вала насос (см
рис. В 4) с приводом от асинхронного электродвигателя с корот-
козамкнутым ротором. Насос и электродвигатель соединены
эластичной муфтой с резиновыми вкладышами. По условиям
компоновки ГЦН объединены в группы по четыре (три работаю-
щих, один резервный). Для увеличения времени выбега на валу
электродвигателя установлен маховик 3. Насос допускает нор-
мальную работу при изменении температуры воды на входе
от 20 до 284 С и избыточном подпоре не менее 23 м вод. ст
Насос (рис 5 12) состоит из корпуса и выемной части. Для
обеспечения герметичности выемная часть уплотняется медной
прокладкой 6 трапецеидального сечения. Корпус насоса сварной
конструкции из теплоустойчивой стали марки 48ТС защищен
изнутри нержавеющей наплавкой. К нему приварены опорные
лапы, которыми он опирается на фундаментную раму Выемная
часть состоит из крышки с горловиной, сваренной из поковок
стали 48ТС, в которой расположены ГСП и уплотнение вала,
верхнего радиально-осевого подшипника, вала, рабочего колеса,
направляющего аппарата и станины Вал насоса цельнокованый
из стали 20X13. Рабочее колесо (ns=102) закрытою типа с
лопатками двойной кривизны сварено из двух частей: диска с
лопатками и покрывного диска. Колесо и направляющий аппа-
рат выполнены из нержавеющей стали 10Х18Н9ТЛ. Направ-
ляющий аппарат совместно с покрывным диском и промежуточной
плитой крепится к крышке при помощи шпилек. Промежуточная
плита центрируется шпонками, которые допускают тепловые рас-
ширения промежуточной плиты без нарушения соосности деталей
проточной части относительно крышки Внутренние поверхности
крышки с горловиной защищены нержавеющей наплавкой. На
станине крепится радиально-осевои подшипник, а также подстав-
ка электродвигателя. Конструкция ГЦН допускает поагрегатный
ремонт или полную замену выемной части
Опыт монтажа и эксплуатации ГЦН выявил ряд дополни-
тельных требований к насосам таких АЭС — необходимость
упрощения монтажа на объекте, сокращения вспомогательных
систем, повышения надежности в аварийных режимах. Усовер-
182
Выход
перекачива-
емой жидкос-
ти
Слид масла
Вход масла
Рис. 5.13. Модернизиро-
ванный насос реакторов
РБМК-1000 и РБМК-
1500:
/ — корпус- 2— рабочее ко-
лесо; 3 крышка с горло-
виной: 4 — графитовый поя-
сок; 5 — уплотнение вала;
6 — пята
-* С л ид масла
•*Л Вода
Продувка
С лид протечек
Вход Воды
Вход перекачиваемой Воды
183
шенствования коснулись уплотнения вала, нижнего гидростати-
ческого подшипника и некоторых других элементов В модер-
низированном насосе (рис 5 13), применено торцовое уплотнение
вала (см. гл 3), работающее с весьма малым (доли микрона)
зазором в контактной уплотняющей паре. Применение торцового
уплотнения с протечками не более 50 л/ч вместо уплотнения пла-
вающими кольцами значительно сократило и упростило вспомо-
гательную систему агрегата |8, гл. 3].
Для исключения обратного вращения вала модернизирован-
ного ГЦН при несрабатывании (зависании) в КМПЦ обратного
клапана, установленного в контуре, предусмотрено антиреверсив-
ное (стопорное) устройство. Необходимость введения антиревер-
сивного устройства вызвана следующими соображениями.
радиальные и осевые масляные подшипники электродвигателя
не рассчитаны на работу при обратном вращении ротора;
пуск насоса при вращающемся в обратную сторону роторе
недопустим из-за перегрузки электродвигателя.
Антиреверсивное устройство (рис. 5 14) работает следующим
образом. При пуске насоса храповик, закрепленный на оси в
углублении маховика, выходит из зацепления с зубцами кольца
и перемещается в крайнее верхнее положение в углублении
маховика. При трогании ротора электродвигателя в обратную
сторону храповики не выходят из зацепления с зубчатым коль-
цом, так как зубцы последнего имеют скос только в сторону
нормального вращения ротора. На наружной цилиндрической
поверхности зубчатого кольца предусмотрены четыре паза, ко-
торыми оно входит в зацепление, с четырьмя пакетами упругих
элементов-рессор, воспринимающих крутящий момент от ротора
при обратной циркуляции воты через насос и способствующих
Рис. 5 14 Конструкция антиреверсивного устройства
/ — маховик; 2 — ротор электродвигателя; 3. // — шпонка; 4 — храповик; 5 — станина
электродвигателя, 6 — пакет рессор 7 кольцо зубчатое, 8 10— полумуфта верхняя и
нижняя соответственно. 9 — резиновый вкладыш; 12 — вал насоса
184
Рис 5.15. Конструкция муфты соединительной
/— кольцо зубчатое; 2 — уплотнение манжетное 3— болт 4 — обойма; 5 — полость
заполненная маслом; 6— втулка; 7— ротор электродвигателя 8—торснон; 9—вал
насоса
более равномерному распределению нагрузки и смягчению удара
в момент зацепления.
Для передачи крутящего момента от электродвигателя к на-
сосу используется эластичная муфта с резиновыми вкладышами
9 (рис. 5.14) или зубчатая муфта с торсионом (рис. 5.15). Зуб-
чатое кольцо 1 устанавливается на вал насоса 9 и соединяется
с ним при помощи шпонки. Втулка 6 входит в шлицы торсиона
8, второй конец которого закреплен внутри ротора электродвига-
теля Обойма 4, имеющая на внутренней поверхности зубья,
входит в зацепление с зубьями кольца и крепится к втулке бол-
тами 3. Таким образом, передача крутящего момента осуществ-
ляется через гибкую связь — торсион и далее через зубья обоймы
и кольца В целях облегчения условий работы зубчатого соеди-
нения полость 5 муфты заполняется смазкой. Для предотвра-
щения вытекания смазки в нижнеи части муфты установлено
уплотнение 2. Зубчатое кольцо и обойма выполнены из стали
38Х2МЮА, втулка — из стали 40Х, торсион — из стали ОХНЗМ.
Размещение ГЦН в специальном помещении дает возмож-
ность обслуживать главный разъем и всю механическую часть
насоса. Крепление насоса (см рис. В 4) выполнено таким обра-
зом, что подводящий и напорный патрубки расположены ниже
перекрытия. ГЦН опирается на фундаментную раму и крепится
185
к ней при помощи нажимного кольца Центрирование насоса
относительно фундаментной и последней относительно проема в
перекрытии рам осуществляется с помощью шпонок. Для вывер-
ки вертикальности насоса предусмотрены клин-диски и техноло-
гические домкраты Для обеспечения нормального температур-
ного режима деталей насоса и его крепления, а также для удоб-
ства обслуживания в области нажимного фланца главного
разъема насоса предусмотрена тепловая защита В кольцевом
зазоре между листом облицовки проема перекрытия и наружной
цилиндрической поверхностью корпуса имеется уплотнение, вы-
полненное из стального листа торообразпои формы и рассчитан-
ное па перепад давления 0,4 МПа. Этим предотвращается про-
никновение рабочей среды в обслуживаемое помещение насосной
в случае разрыва трубопроводов КМПЦ
Главный циркуляционный насос АЭС с реактором ВВЭР-1000.
Насос ГЦН-195 (рис. 5.16) —самый крупный по подаче (20 000
м3/ч) и мощности (4800 кВт) отечественный насос с уплотнением
вала — сконструирован для V блока НВАЭС с водо-водяным ре-
актором под давлением электрической мощностью 1000 МВт [3].
В состав ГЦН входят цельнолитая улитка — корпус, выем-
ная часть, электродвигатель с верхней проставкой, маслосистема
и система технической воды Несущей конструкцией насоса явля-
ется сварно-литая кольцевая рама с тремя опорными лапами 9.
Насос устанавливается лапами на фундаменте подвижно на
шаровых опорах /, что позволяет ему перемещаться, следуя за
температурными деформациями циркуляционного трубопровода,
в пределах до 80 мм. Корпус насоса 14 с гидравлической частью
опущен под биологическою защиту, а выемная часть и электро-
двигатель 3 размещены внутри бокса, доступного для периоди-
ческого кратковременного наблюдения за ГЦН во время работы
реактора на мощности.
Вал 12 насоса и ротор 4 электродвигателя соединены с по-
мощью шлицевых полумуфт и торсионного вала 6. На нижнем
конце ротора электроде и i ател я расположен маховик 5. Вал насо-
са вращается в двух подшипниках: нижнем — гидростатическом,
с питанием контурной водой от вспомогательного импеллера,
верхнем — радиально-осевом па масляной смазке В верхней
части осевого подшипника установлено антиревсрсивное устрой-
ство. Оно исключает вращение вала в обратную сторону, которое
может возникнуть па неработающем насосе при неплотном за-
крытии обратного клапана на его нагнетании
Крутящий момент от электродвигателя к насосу передается
торсионной муфтой 7, которая заливается турбинным маслом
Т22 через специально предусмотренное отверстие.
Для зашиты от нейтронного прострела в районе улитки на
фундаментной раме устанавливается кольцо толщиной 315 мм
из стали 35Л. Перекрывающее кольцо толщиной 300 мм совме-
186
II
11
л
Рис 5.16. Центробежный
насос реактора ВВЭР
1000:
1 — гидравлическая шаро-
вая опора; 2 площадки
обслуживания 3 — электро
двигатель; 7 — ротор элек-
тродвигателя; 5 маховик;
6 — торсионный вал; 7
соединительная муфта; 8 —
радиально-осевой подшип-
ник; 9 — опорная лапа:
10- блок уплотнения; I!
гидростатический подшип-
ник; 12 — вал насоса; 13
рабочее колесо; /7 — кор-
пус; /5 шпильки уплот-
нения главного разъема,
16
14 —
15 шпильки
главного
мембрана
11900
Ф5000
о
о
о
о о
JO
187
щено с нижней проставкой насоса и служит основанием для
установки опорных лап.
Блок уплотнения 10 (см рис 3.36), скомпонованный в три
ступени,— торцового гидростатического типа. Для питания
уплотнения запирающей чистой водой предусмотрен специаль-
ный контур с подпиточными насосами высокого давления и
фильтрами гидроциклонами для очистки воды от механических
частиц более 10 мкм В аварийных режимах питание уплотнения
обеспечивается контурной водой с напора рабочего колеса 13
через специальный холодильник Уплотняющие пары выполнены
из силицированного графита, а остальные детали насоса из
нержавеющей стали 10.XI8H9T.
Насос имеет достаточно длительный выбег. Через 30 с после от-
ключения насоса подача его снижается всею в 2,7 раза
Пуск ГЦН осуществляется прямым включением в сеть как
на холодной, так и на горячей воде. При этом положение за
движек не регламентируется Допускается пуск насоса при об-
ратном токе теплоносителя в петле (при других работающих
ГЦН). Насос рассчитан на гидравлическое испытание в составе
трубопроводов первого контура давлением 25 МПа при темпера-
туре теплоносителя 50—130 °C без подачи запирающей воды.
Насосы атомной станции теплоснабжения АСТ-500 В уста-
новке АСТ-500 циркуляция теплоносителя в промежуточном кон-
туре осуществляется механическими насосами (три насоса на
блок). Номинальная подача каждого насоса 2100 м3/ч при на-
поре 55 МПа и мощности 450 кВт Насос представляет собой
центробежный, вертикальный, одноступенчатый агрегат с ремонт-
ным 8 и торцовым 9 уплотнениями вала (рис. 5.17) Он содер-
жит выемную часть 6, корпус /, приводной электродвигатель
13 серийного изготовления, втулочно-пальцевую соединительную
муфту 12 и станину 11 под электродвш атель
Уплотнение главного разъема между выемной частью и кор-
пусом выполнено круглой прокладкой 14 из никелевой проволоки
Соединение патрубков бака с трубопроводами установки
сварное
Вал 4 насоса вращается в двух подшипниках: нижний под-
шипник 5 — восьмикамерный гидростатический, центрируется в
плите (сталь 20X13) сухарями 15, допускающими радиальные
перемещения фланца относительно корпуса при изменении тем-
пературы без нарушения соосности подшипников Выше гидро-
статического подшипника расположен холодильник 7 вала,
обеспечивающий необходимые температурные условия для ра
боты ремонтного и торцового уплотнении Вода с нагнетания
насоса, очищенная мультигидроциклоном, подастся в кольцевую
полость Б и далее через дроссели В в несущие камеры А. Из
несущих камер вода сливается через верхний и нижнии зазоры
по специальным отверстиям в корпусе ГСП и в рабочем колесе
188
Рис 5.17. Конструкция насо-
са установки АСТ-500
А несущая камера; Б — коль-
цевая полость; В — дроссель;
/ — корпус; 2 — рабочее коле-
со 3 направляющий аппа-
рат. 4 — вал; 5 — гидростата
ческий подшипник; 6 — выем-
ная часть; 7 — холодильник.
8 — ремонтное уплотнение, 9 —
торцовое уплотнение вала; 10
блок подшипниковый; 11 ста-
нина электродвигателя; 12
м\фта 13 — электродвигатель;
14 — прокладка, 15 — сухарь
2
3
4
на всасывание. Верх-
ний подшипниковый
блок 10 воспринимает
осевые и радиальные
нагрузки вала насоса
Циркуляция масла че-
рез дуплексированный
радиально-осевой под-
шипник В36634ОЛ осу-
ществляется лабиринт-
ным насосом.
Проточная часть со-
стоит из цельнолитого
центробежного рабоче-
го колеса 2 закрытого
типа с лопатками двой-
ной кривизны из стали
12Х18Н10ТЛ и направ-
ляющего аппарата 3 из
стали 20X13.
Механическое ре-
монтное уплотнение 8
подробно
гл. 3 (см рис 3 45).
Корпус
формирует
часть и
виде полусферы свар-
ной конструкции из уг-
леродистой стали 20
Только посадочные по-
верхности в месте глав-
ного разъема защище-
ны двухслойной анти-
коррозионной наплав-
Б
В
описано в
1 насоса
проточную
выполнен в
Выход
жидкости
75
7
6
2
9
6
12
11
10
19
15
Вход жидкости
189
<i.
кой. Корпус имеет опорные лапы, которыми он крепится к фунда-
ментной плите В средней части лап предусмотрены пазы для
установки сухарей, фиксирующих корпус в заданных коорди-
натах.
Масса агрегата с электродвигателем 8970 кг, масса собствен-
ного насоса 3900 кг.
Все элементы корпуса насоса, за исключением упомянутых
выше, выполнены из углеродистой стали 20.
Главный циркуляционный насос АЭС с реактором ВВЭР-440.
Насос марки ГЦН-317 (рис 5.18) создан на смену герметичным
Г11Н-310 (рис. 5.4) и представляет собой вертикальный центро-
бежный одноступенчатый агрегат с механическим уплотнением
вала, консольно расположенным рабочим колесом и выносным
электродвигателем Основной несущей конструкцией I ЦН явля-
ется сварная опорная рама, опирающаяся на три шаровые опо-
ры, что позволяет насосу перемещаться, следуя за температур-
ным расширением трубопроводов первого контура. На опорную
раму установлен сварной корпус 3 гидравлической части с тепло-
изоляционной обшивкой, в которой помещается собственно
насос.
Выемная часть содержит вал 6, рабочее колесо /, направля-
ющий аппарат 2, нажимной фланец 4, блок уплотнений 10,
радиально-осевой подшипник 7, электромагнитное разгрузочное
устройство 8, вспомогательное колесо 12. Уплотнение разъема
между корпусом 3 и нажимным фланцем 4 обеспечивается
плоской прокладкой.
К нажимному фланцу крепится направляющий аппарат, име-
ющий разъем в нижней части, вследствие чего обеспечивается
съем рабочего колеса без демонтажа аппарата. В верхней части
направляющего аппарата уложены пластины теплового барье-
ра 13, служащего для предохранения подшипника 5 от теплоиз-
лучения
Рабочее колесо закреплено на валу насоса гайкой на конусах
и шлицах. Вал насоса вращается в двух радиальных подшип-
никах скольжения. Нижний подшипник смазывается и охлажда-
ется водой автономного контура, циркуляция которой во время
работы ГЦН обеспечивается вспомогательным колесом 12, а во
время стоянки — вспомогательным насосом. Расположение вспо-
могательно *» колеса под нижним подшипником служит дополни-
тельным барьером, затрудняющим попадание горячей воды в
нижний радиальный подшипник. Верхний радиальный под-
шипник скомпонован в одном корпусе с осевым, воспринима-
ющим усилия, возникающие из-за разности давления основного
контура и окружающей среды Смазка и охлаждение радиально-
осевого подшипника 7 производятся маслом, которое подается
по трубопроводам специальной масляной системы. Для снижения
осевых нагрузок и обеспечения запуска электродвигателя при
190
Рис 5.18 Центробеж-
ный насос ГЦН-317
реактора ВВЭР-440;
/ — рабочее колесо; 2 —
направляющий аппарат,
3 корпус. 4 — нажим
ной фланец. 5 под
шипник; 6 — вал; 7 —
радиально-осевой под
шипник; Я — электро-
магнитное раз1рузочное
устройство; 9— про-
кладка; 10 — блок уп
лотнения. // шпиль-
ка; 12 вспомогатель-
ное колесо; 13 теп-
ловой барьер
Вход жидкости.
полном давлении в первом контуре в верхней части корпуса ра-
диально-осевого подшипника установлено электромагнитное раз-
191
грузочное устройство 8 Обеспечение соосности верхнего и ниж-
него радиальных подшипников достигается совместной расточкой
корпусов радиально-осевого подшипника и корпуса уплотнения
с последующей фиксацией их радиальными штифтами.
Блок уплотнения 10 состоит из двух основных ступеней гидро-
статического типа, а также разделительной и концевой ступеней
торцового типа (подробнее см. п.3.2.3).
Электродвигатель установлен на специальной подставке, опи-
рающейся на нажимной фланец насоса. Подшипники электро-
двигателя питаются от масляной системы ГЦН Вращение рото-
ра электродвигателя передается валу насоса через зубчатую
муфту.
Для предотвращения перемещения корпуса ГЦН в случае
разрыва трубопроводов первого контура на нем предусмотрены
опорные поверхности для передачи сил на специальные упоры,
размешенные в боксе.
Лабиринтное кольцо, разделяющее полость нагнетания с по-
лостью всасывания, выполнено самоустанавливающимся. Рабо-
чее колесо, центробежное, закрытого типа, с лопатками двоякой
кривизны, выполнено литым. Ступица рабочего колеса имеет
центрирующие конуса, что обеспечивает беззазорную посадку
рабочего колеса на вал независимо от температуры окружающей
среды. Рабочее колесо крепится на валу при помощи эволь-
вентных шлицев, а в осевом направлении — гайкой-обтекателем.
Направляющий аппарат выполнен литым с приваренным дис-
ком. Рабочие каналы образованы профилированными лопатками.
Направляющий аппарат крепится на нижней части нажимного
фланца. Для разделения полости всасывания и сборной камеры
(полость нагнетания) установлен переходник, который крепится
к диску направляющего аппарата.
Нажимной фланец с элементами уплотнения главного разъ-
ема служит крышкой корпуса насоса, герметичность которого
достигается уплотнением плоской прокладки. Затяжка главного
разъема осуществляется гайками через пакеты тарельчатых
пружин, обеспечивающих уплотнения при переходных тепловых
режимах.
Главный циркуляционный насос для АЭС «Lovtisa». Насос
разработан финскими фирмами для АЭС с реактором ВВЭР-440
взамен герметичных ГЦН и имеет некоторые специфические осо-
бенности, которые отличают его конструкцию от аналогичных
конструкций ГЦН других АЭС.
Насос (рис. 5 19) состоит из корпуса, выемной части (диаго-
нального рабочего колеса с четырьмя лопатками и диффузора с
семью лопатками), асинхронного приводного электродвигателя
10 с короткозамкнутыми обмотками ротора мощностью 1300 кВт
на напряжение 6 кВ. Корпус 1 имеет боковой всасывающий
и нижний напорный патрубки. Такой подвод потока позволил
192
<- Рис. 5.19. Общий вид насоса для
АЭС «Loviisa»
/ — корпус, 2 - крышка; 3 — вал на-
соса 4 нижний радиальный подтип
пик; 5 — уплотнение вала; 6 опора
электродвигателя 7 — соединитель-
ная муфта, 8— электромагнит; 9
маховнк 10 — электродвигатель
Рис. 5.20 Схема шарнирной опори
I — ролики; 2 — демпферные пружины:
3 опора; 4 шарнир 5 — кольца
ограничительное. 6 — кольца крепеж
иыс; 7 — кронштейн
упростить привязку трубопроводов к корпусу насоса, уменьшить
массогабаритные показатели корпуса и получить минимально
возможные размеры по главному разъему. Кроме того, при этом
облегчаются условия работы уплотнения вала, поскольку кон-
турная ступень уплотнения непосредственно связана с всасы-
вающей полостью насоса
Вал 3 насоса жестко соединен с ротором электродвигателя
муфтой 7, и таким образом образована единая сборка, враща-
ющаяся в трех подшипниках. Критическая частота вращения
вала в 1,25—1,3 раза превышает фактическую частоту вращения.
В качестве нижней направляющей опоры в насосе применен
гидродинамический подшипник скольжения 4, смазываемый и
охлаждаемый водой, циркуляция которой осуществляется по
автономному контуру посредством специального вспомогатель-
193
13-173
ного импеллера. В электродвигателе расположены два подшип-
ника качения с масляной смазкой, один из которых рассчитан
на восприятие и осевой нагрузки, передаваемой от насоса через
соединительную муфту с помощью кольцевых шпонок. Монтаж
и демонтаж муфты осуществляются за счет предусмотренного
в ней продольного разъема В самой муфте между торцами
валов предусмотрен зазор 370 мм, позволяющий проводить без
демонтажа электродвигателя замену уплотнения и подшипника
ГЦН Крышка 2 насоса уплотняется с помощью 24 шпилек в
корпусе / через две спирально-витые прокладки с графитовым
наполнителем.
Уплотнение вала имеет три ступени: две гидростатические
торцовые, каждая из которых работает при половинном перепаде
давления, и верхнее концевое уплотнение, рассчитанное на пере-
пад 0,5 МПа (см. рис. 3.33).
Детали проточной части, соприкасающиеся с теплоносителем,
выполнены из аустенитной нержавеющей стали. Заслуживает
внимания исполнение наиболее трудоемких узлов ГЦН, изготов-
ление и монтаж которых вызывает определенные трудности К та-
ким узлам можно отнести литой корпус насоса, который в данном
случае имеет сферическую форму.
Электродвигатель оборудован маховиком 9, благодаря чему
обеспечивается требуемый темп падения частоты вращения ГЦН
после его обесточивания, необходимый для надежного охлажде-
ния реактора во всех эксплуатационных режимах Под махо-
виком расположен кольцевой электромагнит <S, который вместе
с устройствами для питания электромагнита и силоизмеритель-
ны.м тензометрическим устройством, определяющим действую-
щую на радиально-осевой подшипник осевую силу, образует
систему электромагнитной разгрузки этого подшипника от осевой
силы (см. рис. 4.17) Наличие такой системы позволило исполь-
зовать в электродвигателе ГЦН радиально-осевой подшипник
качения с очень компактной встроенной масляной системой
вместо обычно применяемых в ГЦН осевых подшипников коло-
дочного типа.
Насосный агрегат закреплен подвижно на опоре качения с
шарнирными кольцами (рис. 5.20). К корпусу насоса крепятся
три кольца 6‘, совместно с четырьмя шарнирами 4 образующие
шарнирную подвеску. К наружному кольцу подвески крепятся
три опоры 3, установленные на кронштейны 7. Каждая опора
имеет демпферные пружины 2 и ролики /, на которых и переме-
щается насос. Колыго 5 ограничивает перемещение ГЦН при
разрыве трубопровода контура МПЦ. Такое крепление ГЦН
сравнительно просто по конструкции и позволяет использовать
подвесные элементы опор в качестве ограничителей при раз-
рыве трубопровода Насосы успешно эксплуатируются на I и II
блоках АЭС.
194
Рис. 5.21 Насос кампании
«Westinghouse Electric»
на частоту 60 Гц;
/ — корпус; 2 — рабочее ко-
лесо; 3 — диффузор, 4
теплообменник. 5 — ради
альный подшипник, 6 —
блок уплотнения вала; 7 —
электродвигатель
Главные цирку-
ляционные насосы
для зарубежных ре-
акторов PWR. В
США организация
серийного выпуска
ГНЦ для АЭС с ре-
акторами PWR со-
средоточена в трех
фирмах: «Westing-
house Electric», «Ву-
гоп Jackson» и «Bin-
gam — Will ament».
Фирма «Westinghou-
se Electric» — един-
ственная из ядерно-
энергетических фирм,
которая проектирует
и изготовляет весь
комплекс оборудова-
ния, входящего в со-
став первого конту-
ра, включая и глав-
ные циркуляционные
насосы [4] В начале
60-х годов была раз-
работана первая кон-
струкция ГЦН с уп-
лотнением вала, во
второй половине 60-х
годов фирма освоила
производство перво-
го серийного ГЦН
усовершенствован-
ной конструкции для
АЭС электрической
мощностью 230—260
МВт.
8660
В код Жадности
195
Промышленное изготовление ГЦН серийной модели с подачей
20 000 м3/ч позволило унифицировать и стандартизировать про-
изводство ГЦН первого контура для реакторов PWR различной
электрической мощности (от 500 до 1000 МВт) Это насос верти-
кального тина, одноступенчатый, состоит из трех основных час-
тей (рис. 5.21): проточной части, блока уплотнений, электро-
двигателя 7 с короткозамкнутым ротором Теплоноситель посту-
пает в ГЦН снизу, проходит через рабочее колесо 2, диффузор 3
и отводится через нагнетательный патрубок, расположенный на
боковой поверхности корпуса /. Внутри корпуса, несколько ниже
радиального подшипника 5, работающею на водяной смазке,
предусмотрен кольцевой теплообменник 4, внутри которого цир-
кулирует охлаждающая вода низкого давления. Темплообменник
обеспечивает защиту водяного подшипника и уплотнений при
авариях, сопровождающихся прекращением подачи запирающей
воды Агрегат имеет три подшипника: два из них расположены в
электродвигателе, третий — в ГЦН между теплообменником и
уплотнением вала Уплотнение вала 6 — трехступенчатое с регу-
лируемыми протечками. Очищенная запирающая вода подается
к валу насоса и обеспечивает охлаждение верхней и нижней
частей насоса и узла уплотнений Очистка необходима для
нормальной работы нижнего радиального подшипника и уплот-
нения Нижнее уплотнение гидростатического типа работает без
механического контакта Нормальная протечка через него состав-
ляет 0.19 м /ч. В этом уплотнении срабатывает почти весь пере-
пад давления — после него давление воды составляет всего
0,35 МПа
Второе уплотнение также дросселирует воду в количестве
0,19 м3/ч. В нем давление воды уменьшается от 0,35 МПа до
нескольких метров водяного столба. Это механическое кон-
тактное уплотнение обычной конструкции. Концевое уплотнение
(также механического типа) имеет весьма небольшую про-
течку. Протекающая через это уплотнение вода, смазывающая
и охлаждающая трущиеся поверхности, сбрасывается под защит-
ную оболочку установки.
Нижний подшипник электродвигателя погружен в масляную
ванну с встроенным теплообменником, через который прокачива-
ется охлажденная вода. В подшипнике использована пара трения
баббит — сталь
Верхний осевой подшипник двухстороннею действия (типа
Кингсбери) смазывается и охлаждается маслом, подаваемым
вспомогательным колесом, являющимся элементом подшипника.
Имеется, кроме того, система для подачи в подпятник масла
высокого давления во время пуска насоса, с помощью которой
ротор перед пуском слегка приподнимается
Двигатель оборудован ангиреверсивным устройством, не до-
пускающим вращения остановленного насоса в обратную сто-
196
Вход жидкости
Рис. 5 22 Насос кампании «Westinghouse
Electric» на частоту 50 Ги
I — корпус; 2 рабочее колесо, 3 — диффу-
зор; 4 — тепловой барьер; 5 — радиальный
подшипник 6 — блок уплотнения вала; 7 —
проставка 8 — электродвигатель
Вход жидкости
Рис. 5.23 Конструктивная схема модернизированного насоса кампании «Westing-
house Electric»
I — корпус; 2— рабочее колесо 3—диффузор. 4 — тепловой барьер 5 радиальный
подшипник; 6 — блок уплотнения вала 7 — проставка; 8 электрод нгатель
рону. Это устройство не требует смазки, так как при нормальной
работе в нем нет движущихся элементов В верхней части дви-
гателя расположен маховик.
Конструкция ГЦН позволяет извлечь из корпуса, приварен-
ного к трубопроводам, электродвигатель вместе с проточной
частью насоса. Имеется также возможность демонтировать из
197
насоса узел уплотнении без демонтажа электродвигателя Масса
насоса 105 т. Насос предназначен для работы с частотой вра-
щения 1200 об/мин при частоте питающего напряжения 60 Гц.
Кроме таких насосов изготавливаются ГЦН на 1500 об/мин
и частоту 50 1ц (рис 5.22) [4]. Форма корпусов этих ГЦН в
значительной степени зависит от механических напряжении,
возникающих в стенках корпуса вследствие высоких давлений
и больших диаметров корпусов.
Рис 5.24 Насос фирмы «Byron Jackson»
/ — спиральный отвод; 2 корпус; 3 — рабочее колесо 4 — прокладка 5 выемная
часть; 6 8 — уплотнение вала; 7—вал; 9— шарикоподшипник; 10—станина электро
двигателя, // — гидростатический подшинник
198
Одна из последних конструкции ГЦН (рис. 5.23) была
создана в связи с возникшей потребностью увеличения подачи
насосов, предназначенных для оснащения реакторов электриче-
ской мощностью 1200—1350 МВт при четырехпетлевой компонов-
ке, 900—1000 МВт при трехпетлевои, 600—650 МВт при двух-
петлевой [5].
Следует отметить, что при увеличении подачи ГЦН на
6—12%, напора на 17% и мощности на 19% по сравнению
с предыдущей моделью масса насоса была уменьшена до 85 т.
Улучшение основных технико-экономических показателей ГЦН
было достигнуто за счет введения некоторых конструкционных
усовершенствовании Например, повышение эффективности теп-
лового барьера, введенного внутрь корпуса насоса для защиты
от перегрева подшипника и уплотнения вала, позволило умень-
шить высоту ГЦН и повысить эксплуатационную надежность его
основных элементов [6, 7| Переход к новой форме корпуса
насоса с симметричным расположением напорною патрубка от-
носительно вертикальной оси насоса вместо тангенциального
расположения, а также замена радиальною рабочего колеса
диагональным способствовали значительному снижению массы
I ЦН и повышению его КПД
Главные циркуляционные насосы для зарубежных реакторов
типа BWR. Фирма „General Electric** специализируется на раз-
работке и производстве реакторов BW R с установкой внутри
корпуса реактора вокруг активной зоны системы струйных на-
сосов которые обеспечивают циркуляцию теплоносителя Для
непрерывной подачи к струйным насосам рабочей воды с напо-
ром 126—161 м используются центробежные насосы фирмы
„Byron Jackson** (два на реактор) Конструкционная схема на-
соса приведена на рис 5 24 Применение в конструкции гидро-
статическою подшипника позволяет отказаться от холодильника
и специального автономного контура, а также увеличить запас
по критической частоте вращения вала в связи с существенным
уменьшением консоли. Впервые именно в этих насосах приме-
нено механическое торцовое уплотнение, рассмотренное в гл. 3
[3, гл 2]
Помимо трех, наиболее известных фирм поставкой ГЦН па
АЭС занимаются и некоторые другие зарубежные компании.
Наибольший интерес представляет ГЦН осевою типа, встроен-
ный непосредственно в корпус кипящего реактора, разработан-
ный австрийской фирмой „Andritz" (рис. 5 25) Он отличается
компактностью и отсутствием bchomoi ательных систем Масло-
.хозяйство для радиально-осевого подшипника в виде маслобака
и холодильника размещено в корпусе насоса Всего таких ГЦН
в реакторе электрической мощностью 723 МВт шесть [3, гл 4].
Отметим только одну особенность этих I ЦН при монтаже насоса
его проточная часть—рабочее колесо 9 и направляющий аппа-
199
Рис. 5.25. Насос фирмы «Andritz».
/ — электродвигатель; 2 пята. 3 — уплотне-
ние вала; 4 — тепловые экраны; 5 — корпус
реактора, 6 — радиальный подшипник; 7
направляющий аппарат; 8 — кожух 9 — ра-
бочее колесо
рат 7 вместе с кожухом 8 — уста-
навливается изнутри реактора
Конструкторы фирмы направ-
ляют свои усилия на повышение
не только технико-экономических
показателей ГЦН, но и на совер-
шенствование и, главное, сокра-
щение времени монтажа и демон-
тажа ГЦН и обеспечение удобства
обслуживания при эксплуатации.
Наиболее значительным техничес-
ким решением следует признать
запатентованную в США и Фран-
ции конструкцию ГЦН реакторов
PWR со съемным подшипником,
что позволяет проводить осмотр
или замену нижнего радиального
подшипника без разгерметизации
главного разъема (см. рис 4.11)
[8]. Для уплотнения вала ис-
пользуется одна ступень гидроста-
тического торцового уплотнения, а
внешняя герметичность, обеспечи-
вается концевым гидродинамиче
ским торцовым уплотнением. За-
мыкающее уплотнение механиче-
ского типа работает только при
стоянке.
5.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ НАСОСЫ
ДЛЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА
В настоящее время сущест-
вует много различных конструк-
ций механических насосов, пере-
качивающих жидкометаллический
теплоноситель (натрии) в реакто-
рах на быстрых нейтронах. В ос-
новном это центробежные насосы
вертикального исполнения на
гидростатических подшипниках.
200
В большинстве насосов используются торцовые уплотнения вала.
В настоящем параграфе рассмотрены наиболее характерные из
этих конструкции
5.2.1. ОТЕЧЕСТВЕННЫЕ НАТРИЕВЫЕ НАСОСЫ
Насосы реактора БР-5. Выемная часть насоса первого кон-
тура (рис. 5.26) погружена в бак, который одновременно служит
и компенсатором объема. Для успокоения натрия в нем преду-
смотрены специальные ребра. Вал вращается в двух сферических
самоустанавливающихся роликоподшипниках, расположенных
в корпусе электродвигателя. Смазка подшипников консистентная.
Нижний подшипник охлаждается аргоном, который циркулирует
внутри насоса Чтобы уменьшить приток тепла к подшипнику,
вал выполнен пустотелым Циркуляция аргона обеспечивается
установленным на валу электродвигателя вентилятором Верхний
подшипник охлаждается встроенным холодильником
Расстояние между подшипниками равно 570 мм, длина консо-
ли 620 мм. В насосе отсутствует уплотнение вала по газу, так
как он заключен вместе со стандартным электродвигателем
в герметичный кожух. Для обеспечения радиационной стойкости
в обмотке статора использована кремнииорганическая изоляция
типа ПСКД Чтобы снизить количество пара натрия в электро-
двигателе, на валу установлено фторопластовое кольцо с натягом
0,1 мм. Полости насоса и электродвигателя соединены через
ловушку паров натрия. Выемная часть насоса уплотняется с ба-
ком посредством медной прокладки из трубки диаметром 4Х 1 мм.
Кроме этого имеется еще страховочное уплотнение, изготовлен-
ное из тонкого стальног о листа и приваренное к фланцам насоса и
бака Прочие разъемы агрегата уплотняются с помощью рези-
новых прокладок. Вал агрегата изготовлен из стали 20X13, все
остальные детали — из стали 10Х18Н9Т
Насосы реактора БОР-60 выполнены по схеме погружного
заглубленного насоса колодцевого типа с нижним гидростати-
ческим подшипником, работающим на натрии от напора соб-
ственного рабочего колеса (рис 5.27) Верхний радиально-осевой
подшипниковый узел расположен в газовой полости насоса.
Насос состоит из бака //, выемной части 12 и приводного элек-
тродвигателя 17. Выемная часть демонтируется из бака без резки
основных трубопроводов Бак представляет собой цилиндри-
ческий сосуд с переменной толщиной стенки для обеспечения
равномерной жесткости. В нижней части бака имеются два пат-
рубка: радиальный (всасывающий) и осевой (нагнетательный),
к которым привариваются соответствующие трубопроводы.
Выемная часть устанавливается в бак и крепится к нему с по-
мощью фланца. Герметичность разъема обеспечивается «усико-
вым» сварным швом [5, гл. 4, 9].
201
Выход охлаждающей
воды
I
вЫ
Рис. 5 2b Конструкция
насоса реактора БР-5:
/ 6 верхний и нижний
роликоподшипник соответст-
венно; 2 — рубашка охла-
ждения электродвигателя;
3.4 — корпус и статор элек-
тродвигателя; 5 — ротор;
7 теплоизоляция 8, 15 —
напорный и всасывающий
патрубок соответственно;
9 — фторопластовое кольцо
10 — вал насоса; 11 — вы-
емная часть насоса. 12
улитка; 13 — рабочее коле-
со; 14 — бак насоса
вход жидкости
Выход
жидкости.
202
Рис. 5.2/ Монтажно-компоновочная схема насоса реактора ЬОР-60:
/— всасывающий патрубок; 2—юбка; 3 — отводная труба; 4— всасывающий коло-
кол; 5 — рабочее колесо; 6 - направляющий аппарат; 7 — гидростатический подшип-
ник'; 8, 9 — вытеснители; 10 — вал; // — бак 12 выемная часть, 13 — ремонтное
уплотнение 14— верхний подшипниковый узел; /5 — уплотнение вала 16. 19—плита;
17 — электродвигатель 18 напорный маслобак: 20 — перекрытие, 21 — бак слива
протечек
Выемная часть содержит проточную часть с рабочим колесом,
канальным направляющим аппаратом 6 открытого типа со
сборно-кольцевым отводом и всасывающим колоколом 4. Натрий
от сборного коллектора отводится четырьмя трубами 3 диамет-
ром 100 мм, объединяющимися в напорный патрубок по оси
203
насоса. Всасывание осуществляется непосредственно из бака,
причем перед самым входом на рабочее колесо установлен про-
филированный коллектор, дающий равномерное распределение
скоростей, несмотря на боковой вход потока в бак. Протечки
из подшипника 7 через переливные окна с малым сопротивлением
сливаются на всасывание. Поскольку насос заглубленный, то во
время работы уровень в нем снижается в соответствии с гидрав-
лическим сопротивлением подводящей трассы. Допустимое коле-
бание уровня в насосе 2 м. В целях исключения захвата газа
па всасывании к выемной части насоса по наружному диаметру
сборного коллектора приварена юбка высотой 0,7 м, благодаря
чему обеспечивается нормальная работа насоса в различных
переходных режимах, когда увеличивается сопротивление вса-
сывающего трубопровода и уровень в насосе падает ниже рабо-
чего колеса. В выемной сборке установлены кольцевые вытесни-
тели, предназначенные для уменьшения объема натрия в контуре.
Бак насоса служит одновременно и компенсатором объема.
Торцовое уплотнение вала по газу обеспечивает герметич-
ность насоса относительно внешней среды. Верхний водшипни-
ковый узел состоит из несущего корпуса, системы смазки, вклю-
чающей в себя масляный насос и масляную ванну со встро-
енным в нее холодильником, и радиально-осевого сдвоенного
шарикоподшипника. Система смазки подшипника замкнута вну-
три масляной ванны. Масло из ванны подается винтовой втул-
кой, посаженной па вал. Нижний радиальный подшипник 7
гидростатический, камерный со взаимообратным щелевым дрос-
селированием. Рабочие поверхности подшипника наплавлены
стеллитом ВЗК. Вал насоса — полый, сварен из двух частей:
верхней из ста пи 10X13, нижней из стали Х18Н9. Ремонтное
уплотнение /3 расположено ниже верхнего подшипникового
узла /-/ив случае ремонта последнего, а также ремонта уп-
лотнения /5 герметизирует газовые полости насоса от окру-
жающей среды. Уплотняющим элементом ремонтного уплотне-
ния является фторопластовое кольцо, закрепленное на подвиж-
ном фланце, и конусная втулка, герметично посаженная на вал.
Осевое перемещение фланца при включении ремонтного уплот-
нения осушеств 1яется подачей газа во внутреннюю по юсть силь-
фона давлением от 0,6 до 1 МПа (см. рис. 3. 44).
Насосы первого и второго контуров унифицированы по ос-
новным узлам и различаются только размерами рабочего колеса
и направляющего аппарата. Кроме того, в насосе второго кон-
тура по условиям работы отсутствует биологическая защита.
Насосы реактора БН-350 (рис. 5. 28) консольные (расстоя-
ние между рабочим колесом и нижним подшипником равно 2 м),
с наружной линией возврата протечек. Конструкционное испол-
нение проточных частей насосов первого и второго контуров
аналогично обычно применяемым конструкциям консольных
204
8 -
7
2 -
е -
Вход масла
Вход
масла
Вход _
мосла
Выход
масла
Вход масла.
Рис 5.28. Конструкция
насоса реактора БН-350:
/ — бак; 2 — рабочее коле-
со; 3 — напорный коллек-
тор; 4 — биологическая за-
щита; 5 радиально-осевой
подшипник. 6 — уплотнение
вала; 7 — муфта; 8— элек-
тродвигатель' 9 — патрубок
слива протечек
Выход
"жидкости
Рис. 5 29 Конструкция насоса первого контура реактора БН 600:
/ обратный клапан; 2. 4 нижняя и верхняя улитка соответственно 3
13860
— рабочее
206
колесо; 5 — гидростатический подшипник; б — вал; 7 — кессон; 8 — крышка; 9 — холо-
дильник; 10 теплоизоляция; 11—уровнемер; 12— станина электродвигателя 13—
уплотнение вала; 14— привод обратного клапана /5 — осевой подшипник 16
зубчатая муфта 17 электродвигатель
207
вертикальных насосов для воды [15, гл. 4; 9].
Бак / насоса, сваренный из нержавеющей стали Х18Н9, явля-
ется опорой выемной части и соединяется с ней при помощи
накидного фланца Бак формирует проточную часть, вклю-
чающую в себя всасывающий патрубок, направляющий ап-
парат канального типа, напорный коллектор 3 с патрубком
и цилиндр бака с патрубком 9 слива протечек и биологической
защитой 4 В крышке бака имеется холодильник для сниже-
ния температуры в области нижнего подшипника. Крышка
насоса крепится к баку болтами, герметизация стыка осущест-
вляется с помощью «усикового» сварного шва. На баке снаружи
размещены электрические нагреватели для разогрева его перед
заполнением. Крышка и бак насоса имеют наружную изоляцию
Подшипниковые узлы насоса — выносные, их газовая по-
лость соединяется с газовой полостью бака кольцевой щелью
между биологически защитой в корпусе и валом Слив масла
из подшипников свободный Для исключения проникновения
масла из подшипников в натриевую полость на крышке бака
установлены лабиринты. Вал насоса полый, сварен из несколь-
ких частей. Рабочее колесо насоса разгружено от осевых сил за
счет лабиринтного уплотнения и разгрузочных отверстий на ве-
дущем диске, а также неподвижных ребер на корпусе.
Уплотнение вала по газу — торцового типа с использованием
масла в качестве уплотняющей жидкости. Ремонтное уплот-
нение (см. рис. 3. 44) служит для отсечения полости насоса
при замене торцового уплотнения.
Привод насоса— электрический. Электродвигатель 8 асин-
хронный, с короткозамкнутым ротором, двухскоростной (с дву-
мя обмотками в статоре), вертикального исполнения. Крепится
он на стальной станине, установленной вместе с насосом на од-
ной опорной плите. Условия работы насосов таковы, что за
счет сопротивления по всасывающему трубопроводу давление
на всасывании меньше давления газа в баке насоса. Для ис-
ключения возможности попадания газа через разгрузочные от-
верстия на всасывание насоса в зоне разгрузочных отверстий
применено щелевое уплотнение вала с i арантированной про-
течкой в бак, сливаемой в основной контур через патрубок
9. Для се возвращения в насос используется перепад давления
газа в баке и во всасывающем патрубке. Работа системы под-
держания уровня рассмотрена в гл. 4
Насосы первого и второго контуров реактора БН-350, так же
как и насосы реактора БОР-60, унифицированы по основным
узлам и отличаются только размерами проточной части и нали-
чием биологической защиты в насосе первого контура.
Насосы реактора БН-600 первого и второго контуров прин-
ципиально различаются параметрами и конструкцией проточ-
ной части [9]. Насос первого контура (рис. 5.29)—заглублен-
208
ный, устанавливается в кессон реактора. Рабочее колесо двух-
стороннего всасывания закреплено на нижней консоли вала 6,
вращающегося в двух радиальных подшипниках: верхнем -
масляном гидродинамическом, нижнем — гидростатическом с
обратнощелевым дросселированием, работающем на натрии
Осевая нагрузка в насосах воспринимается масляным осевым
гидродинамическим подшипником /5
Расположение торцового уплотнения вала 13 ниже ради-
ально-осевого подшипника предотвращает попадание в натрие-
вые полости масла, используемого в подшипнике, а наличие
ванны случайных протечек под уплотнением исключает такую
возможность даже в аварийных ситуациях.
Проточная часть насоса изготавливается сварной с после-
дующей механической обработкой из отливок стали 10Х18Н12МЗЛ
и включает в себя рабочее колесо двухстороннего всасывания,
верхнюю 4 и нижнюю 2 улитки и направляющий аппарат. Нат-
рий к каждой половине рабочего колеса подводится с помощью
верхней и нижней улиток,^ а отводится через направляющий
аппарат и вертикальные каналы в нижней улитке. Такое реше-
ние позволило получить оптимальные габаритные размеры насоса
с обеспечением высоких кавитационных свойств при минималь-
ном положительном подпоре на всасывании колеса в условиях
затесненного подвода [10].
Вал 6 насоса (сталь 10Х18Н9) для уменьшения массы и пере-
дачи тепла к верхнему подшипнику выполнен полым и сварен
из шести частей. Длина вала 7, 6 м, наибольший диаметр 0.68 м.
Для предохранения крышки 8 от прогрева между поверхностью
натрия и крышкой установлены стальные экраны, а в самой
крышке дополнительно встроен водяной холодильник 9. Кроме
того, крышка одновременно служит и биологической защитой
Выполнена она в виде стальных и графитовых плит общей
толщиной 1000 мм (500 мм стали и 500 мм графита), пере-
крывающих щели и зазоры для исключения прямого прострела
от излучения.
Протечки натрия из ГСП сливаются па всасывание, как
показано на рис. 4 21. Герметичность разъема между выемной
частью насоса и кессоном обеспечивается ремонтопригодным
сварным швом. В конструкции предусмотрено ремонтное уплот-
нение. В рабочие сильфоны уплотнения подается воздух или
аргон давлением 1 МПа в количестве 50 л на одно закрытие.
Вал насоса и ротор электродвигателя соединяются зубчатой
муфтой переменной жесткости. Основным материалом для из-
готовления насосов служит нержавеющая сталь Х18Н9.
На рис. 5. 30 показана выемная часть насоса первого кон-
тура перед установкой в испытательный стенд.
Малозаглублепный насос второго контура (рис. 5.31) уста-
навливается на каждой петле в бак 14. В баке расположена
209
14-173
Рис. 5 30 Выемная часть насоса пер-
вого контура реактора Ы1 ВОО
Рис. 5.31. Конструкция насоса второго
контура реактора ЬН-600
/. 17 — напорный и всасывающий патруб-
ки соответственно. 2 — патрубок слива
протечек; 3 вал: 4 — ремонтное уплот-
нение. 5 — уплотнение вала: 6 — верхний
подшипниковый узел; 7—мхфта соеди-
нительная, 8 станина электродвигателя;
У — выемная часть, 10 уровнемер;
11 теплоизоляция; 12 — плита опорная;
13 — электронагреватели н теплоизоляция
14 — бак; 15 — колесо рабочее; 16
улитка
Вход жидкости
210
Рис 5 32. Выемная часть насоса вто-
рого контура реактора БН-600
Рис 533. Система регулирования ча-
стоты вращения насосов реактора
БН-600.
/ система управления станцией; 2 —
асинхронно вентильный каскад. 3 тлск-
тродвигатсль; 4 — тахогенератор; 5.7 —
ГЦН первого и второго контуров соотьег-
ciвеяно. 6 обратный клапан
двухзаходная, сваренная из двух половин улитка. Для разогрева
бака перед заполнением его натрием до температуры 250 С
и автоматического се поддержания в диапазоне 200—250 С на
поверхности бака предусмотрены электронагреватели мощностью
54 кВт. В насосе второго контура в максимальной степени ис-
пользованы те же узлы, что и в насосе первого контура. К ним
относятся: уплотнение вала 5, ремонтное уплотнение 7, верхний
радиал ьно-осевои подшипник 6, соединительная муфта 7 Ниж-
ний гидростатический подшипник повторяет конструкцию ГСП
насоса первого контура, но имеет меньший диаметр (350 мм).
Протечки натрия через ГСП до 180 м3/ч сливаются из бака
по патрубку 2 в буферную емкость реактора Давление газа
в насосе второю контура больше, чем в насосе первого кон-
тура, и равно 0,2 МПа Поэтому ею проточная часть, несмотря
на малое заглубление, максимально упрощена, имеет колесо
15 одностороннею осевого всасывания и двухпоточный спи-
ральный отвод. Уплотнение рабочих колес насосов первого и вто-
рого контуров осуществчяется щелевыми лабиринтными уплот-
нениями, зазоры в которых (I -2 мм) выбраны несколько боль-
шими, что требуется по условиям сборки и бесконтактного
211
Рис. 5.34. Конструкция «асоса второго контура реактора ЬН 800
212
I — рабочее колесо 2 — направляющий аппарат; 3 — напорный коллектор. 4 — уровне
"ер 5 — ремонтное уплотнение 6 — уплотнение вала; 7 верхний радиально-осевой
подшипник; 8 муфта; 9 — бак
213
вращения, на случаи непредвиденных температурных или меха
нических деформаций деталей. Максимально допустимое коле-
бание уровня натрия в насосе первого контура составляет 1,5 м.
Па рис. 5 32 показана выемная часть насоса второго контура
перед монтажом в стенд для кавитационных испытаний на воде
На снимке видны труба и коллектор внешнего источника пи-
тания I СП.
Для насоса первого и второго контуров были спроектированы
и изготовлены регулируемые электроприводы по схеме АВК с
электроде и । ателями на напряжение 6000 В и частоту перемен
пого тока 50 Гц с фазным ротором. Структурная схема системы
управления станцией, АВК и ГЦН приведена на рис. 5 33.
Регулируемый электропривод дает возможность изменять подачу
насоса при сохранении его номинального КПД; снижать темпе-
ратурные перегрузки в реакторе и теплообменниках в переходных
режимах; проводить аварийное расхолаживание реактора по
оптимальному алгоритму.
При номинальной подаче насосов возможен нерегулируемый
режим работы электропривода с закороченным ротором. Си-
стемы регулирования частоты вращения при этом переводятся
в «горячий» резерв Для расхолаживания станции в режиме
обесточивания предусмотрена работа электроприводов с питани-
ем от выбегающих турбогенераторов и изменяющихся напряже-
нии и частоте сети В электроприводах используется серийное
электрооборудование, а в схемах регулирования — унифициро-
ванные блоки системы регулирования Конструкция шкафов
выпрямителей и инверторов — блочная, обеспечивающая хоро-
шую работоспособность оборудования и замену под нагрузкой
вышедших из строя элементов
Насосы реакторов БН 800 Реактор БН 800 является даль
нсишим усовершенствованием реактора ЬН-600 в целях фор-
сирования его мощности практически на существующем обо-
рудовании Поэтому предполагается использовать в первом кон
туре насосы реактора БН-600 с несколько улучшенной в отно-
шении технологичности изготовления проточной частью И хотя
подача насоса возросла до 12 300 м /ч, сохраняется доста-
точный запас подпора на всасывании, чтобы избежать кавита-
ции. Что касается насоса второго контура, то здесь коренным
образом изменена проточная часть в целях уменьшения
Maccoi абаритных характеристик по сравнению с характеристи
ками насоса реактора БН-600 (рис. 5 34). Проточная часть
насоса состоит из рабочего колеса диагонального типа с одно
сторонним входом, сваренного из двух частей: диска с лопат-
ками и покрывного диска. Отвод натрия от рабочего колеса
в напорный коллектор осуществляется через аксиальный ло-
паточный направляющий аппарат. Разработка повой проточной
части позволила, сократить диаметр бака в области проточной
214
Выход Воды
утечка масла
ВыходВоды *
Вход Воды
Утечка
масла
Утечка
масла~*
Выход
- масла
Вход
-масла
Выход
газа
Рис. 5.35. Конструкция
стендового натриевого
насоса:
/ - электрообогрсв; 2 — ди
афрагма; 3 импеллер,
4 радиально-осевой под-
шипник; 5 — вал, 6 ради-
альный шарикоподшипник.
7 кольцевая щель
Вход Воды
Выход Воды
Вход Воды
Выход Воды
__СЛЦЯ
Выход
жидкости.
Вход жидкости.
215
части до 1500 мм; уменьшить в связи с этим массу собствен-
но насоса за счет уменьшения массы бака на 10 т, а всего
агрегата на 12 т; повысить технологичность изготовления про-
точной части насоса.
Стендовый натриевый насос с турбоприводом (рис. 5.35) интересен тем.
что выполнен в консольном варианте на подшипниках качения. Вал насоса 5
вращается в двух опорах. Нижняя опора 6 — радиальный шарикоподшипник,
верхняя опора 4 — сдвоенный радиальный шарикоподшипник воспринимающий
осевую и радиальную нагрузки Подшипники смазываются консистентной смаз
кой, закладываемой па весь срок работы насоса (возможно пополнение смазки
с помощью шпрнц-масленки). Предусмотрено охлаждение подшипников дефини-
лом. В целях уменьшения протечек перекачиваемого натрия вал насоса проходит
через узкую кольцевую щель 7 большой длины Слив протечек натрия осущест-
вляется но специальному трубопроводу. В конструкции предусмотрена допол-
нительная труба слива протечек на случай, если металл по каким-то причинам
попадает выше диафрагмы 2. Импеллер 3 служит для затруднения условий
попадания металла выше этой диафрагмы Корпус насоса снабжен электрообогре-
вателем 1 В качестве привода используется паровая турбина [I. гл 2]
5 2.2. ЗАРУБЕЖНЫЕ НАТРИЕВЫЕ НАСОСЫ
Насосы реактора «Sodium Reactor Experimental» (SRE, США}.
В установке применены четыре механических центробежных
малозаглубленных насоса консольного типа с шариковыми под-
шипниками, вынесенными в газовую полость (рис. 5.36) |П].
Между электродвигателем и собственно насосом установлена
биологическая зашита В насосе применено замерзающее уп-
лотнение вращающегося вала. Кроме того, замороженным ме-
таллом уплотняются также выемные части в корпусе. Над уплот-
нением вала имеется газовая подушка инертного газа под таким
давлением, которое способно предотвратить утечку активного
теплоносителя в случае неисправности замерзающих уплотнении.
Газовая полость насоса герметизируется с помощью механиче-
ского торцового уплотнения 3.
Замерзающие уплотнения были причиной неоднократного
выхода насосов из строя По-видимому, биение консольной
части вала приводило к нарушению i ерметичности охлаждаю
щего пояса.
Насосы реактора «Hallem Nuclear Power Facility» (HNPF,
США). В процессе проектирования рассматривалось несколько
конструкций насосов, но предпочтение было отдано малозаглуб-
ленному варианту (рис. 5. 37) с приводом от электродвигателя,
вынесенного за бетонную биологическую защиту Частота вра-
щения ротора электродвигателя регулируется с помощью элек-
тромагнитной муфты, которая передает крутящий момент от
ротора к валу насоса.
Вал 8 насоса длиной 4,3 м — полый, установлен на двух
216
Рис. 5.36. Конструкция насоса реактора
1 замерзающее уплотнение вала; 2 — сборник масла, <? — уплотнение вала по газу;
4 смазка в радиальным подшипник 5 — отвод охлаждающей среды 6— кожух;
7 — выемная часть; 8 — рабочее колесо
Рис 5.37 Схема насоса реактора H\PF
/ — электродвигатель, 2 — электромагнитная муфта; 3 — радиально-осевой подшипник;
4—уплотнение; 5 биологическая защита; 6 — охлаждающая рубашка; 7 тепловая
изолиния; 8 вал, 9 — гидростатический подшипник; 10 — рабочее колесо; II — сбор-
ник
подшипниках. Чтобы уменьшить приток тепла к верхней части
вала (насос установлен на «горячей» ветке), внутри вала в
местах, где он проходит через слой изоляции, встроены тепловые
экраны. В целях снижения притока тепла к защите имеется
значительный слой изоляции 7, установленный между уровнем
натрия и защитной пробкой На корпусе кессона имеется ох-
лаждающая рубашка 6, которая уменьшает приток тепла к био-
логической защите и верхней крышке. При аварийном превыше-
нии уровня в баке натрий замерзает в районе этой рубашки
Нижний подшипник 9 — дроссельный гидростатический,
работает на натрии; верхний шариковый, воспринимает
217
жидкости.
218
осевые и радиальные усилия. Расстояние между подшипниками
равно 5,8 м. В насосе имеется механическое торцовое уплотне-
ние вала с использованием в качестве смазывающей и запи-
рающей жидкости масло, прокачиваемое специальным шестерен-
чатым насосом. Детали насоса изготовлены из стали 304. По-
верхности трения наплавлены колмоноем.
Всасывание натрия осуществляется прямо из трубопровода.
Перед входом в рабочеее колесо установлены четыре направ-
ляющих ребра. Теплоноситель из рабочего колеса, пройдя
направляющий аппарат, попадает в сферический сборник, откуда
поступает в реактор. Из этого же сборника проводится подача
натрия на ГСП, который имеет относительно большие габарит-
ные размеры и приспособлен для работы па низких частотах
вращения Проходящий через него натрии собирается в верхней
полости бака и по специальной трубе слива протечек отводится
на всасывание насоса. Сливная линия работает полным сече-
нием, чем исключается захват газа. Применению такой схемы
слива протечек способствовали два обстоятельства; низкое со-
противление всасывающего тракта, поскольку насос установлен
на «горячей» ветке контура, и наличие системы регулирования
частоты вращения ГЦН
Насосы второго контура идентичны насосам первого.
Насосы реактора «Enrico Fermi Atomic Power Plant» (EFAPP,
США.) Устройство насоса первого контура показано на рис.
5. 38. Этот насос погружного типа со всасыванием непосред-
ственно из собственного бака Биологическая защита, вал вместе
с подшипниками, рабочим колесом, направляющим аппаратом
и обратным клапаном могут быть извлечены из контура без
резки трубопроводов и слива натрия Длина вала около 6 м.
Он вращается в двух радиальных гидростатических подшипни-
ках. один из которых 6 работает под уровнем натрия, второй 4
выше уровня. Рабочие поверхности подшипников наплавлены
стеллитом Подача теплоносителя на гидростатические подшип-
ники осуществляется с напора насоса по специальным грубам,
слив - в бак насоса. Осевую нагрузку от собственной массы
и гидравлических усилий воспринимает осевой подшипник
электродвигателя 2. Соединение вала насоса с валом электро-
двигателя жесткое [14, 15].
Рис. 5.38 Схема насоса реактора EFAPP;
/. 2 вспомогательный и основной электродвигатели соответственно; 3 биологиче-
ская зашита; 4 б — гидростатические подшипники; 5 — кессон; 7 — напорный патрубок
Рис. 5.39. Конструкция насоса реактора ЕВР II:
1 — вентилятор охлаждения электродвигателя; 2 — счетчик частоты крашения; 3 ради-
ально-осевой подшипник; 4 — датчик термопар; 5—электродвигатель; 6 радиальный
роликовый подшипник 7 — отверстие для установки датчика давления 8— прокладка.
9 - фланец; 10 тяжелый бетон // — наружная обечайка биологической зашиты;
12 тепловая изоляция 13 стальная дробь; 14 — вал 15 — обечайка; 16 гидроста-
тический подшипник 17— подача натрия к ГСП; 18— опорная обечайка; 19
рабочее колесо
219
Верхняя часть вала длиной 1,4 м имеет спиральную винто-
вую нарезку для предотвращения попадания пара натрия в уп-
лотнение Газовая полость насоса герметизируется механичес-
ким .УВГ, которое установлено в пространстве между биоло-
гической защитой 3 и электродвигателем 2 Расположение
уплотнения ниже подшипника электродвигателя исключает ве-
роятность попадания большого количества масла в натрий в ава-
рийной ситуации. Неподвижное кольцо уплотнения изготовлено
из бронзы, подвижное — из стали марки ЭС-5781. Работает уп-
лотнение на фторуглеродистом масле «Fluorolube МО Ю». При-
водом служит электродвигатель с фазным ротором Для ава-
рийного расхолаживания предусмотрен вспомогательный элек-
тродвигатель малой мощности. Детали насоса изготовлены
в основой из стали 304.
Насосы реактора «Experimental Breeder Reactor» (EBR II.
США). Два насоса первого контура (рис. 5. 39) расположены
на крышке реактора с «холодной» стороны контура циркуляции
[15]. Натрий всасывается рабочим колесом через специальный
конфузор из общего коллектора За рабочим колесом расположен
направляющий аппарат и далее кольцевой коллектор, откуда
натрий по четырем трубам поступает в напорный патрубок. Пат-
рубок соединен с напорным трубопроводом специальным уст-
ройством (рис. 5. 40), которое автоматически соединяет при
монтаже и разъединяет при демонтаже насос с напорным трубо-
проводом. Это устройство также компенсирует за счет сильфона
несоосность насоса и напорного трубопровода при установке.
Соединительное устройство имеет протечку натрия не более 0,2%
подачи насоса
Рабочее колесо, гидравлически разгруженное от осевых сил,
имеет удлиненную втулку, которая служит шейкой ГСП Гидро-
статический подшипник с четырьмя рабочими камерами пита-
ется из напорного кольцевого коллектора через сверления.
Слив протечек натрия из ГСП происходит через отверстия в
рабочем колесе на всасывание насоса. ГСП имеет достаточную
несущую способность, чтобы обеспечить работу насоса на но-
минальной частоте вращения, а наличие всего четырех камер
создает благоприятные условия для образования жидкостной
пленки и при минимальной частоте вращения, когда напор насо-
са мал. Для увеличения износостойкости рабочих поверхностей
ГСП они наплавлены колмоноем. Основная часть насоса, со-
прикасающаяся с натрием, выполнена из стали 304. Вал 14 на-
соса соединяется с ротором электродвигателя посредством
жесткой муфты и вращается на трех опорах В электродви-
гателе размешены два подшипника качения. Верхний (шари-
ковый) подшипник 3 является радиально-осевым, нижнии 6
(роликовый) — радиальным
В насосе обычное механическое уплотнение отсутствует, так
220
Рис. 5.10. Схема устройства для соеди
нения напорного патрубка с трубопро-
водом
/ — напорный трубопровод с шаровым
седлом; 2— нажимной фланец; 3—фла
нец с шаровой питой. 4 пружина; 5 —
сильфон; 6 шпилька; 7 — напорный кол-
лектор насоса
Рнс. 5.41 Схема насоса реактора
FFTF:
/ — подшипник, 2 — газовая полость.
3 — уровнемер; 4 — тепловые экраны.
5 выемная часть; 6 — вал; 7 коль-
цевая щель; 8—вытеснитель; 9— гидро-
статический подшипник, 10 — напорная
камера; 11 -опора; 12— рабочее ко-
лесо. 13 диффузор 14 — сборник; 15
бак. 16 — сильфон; 17 уплотнительное
кольцо
Мцнималь -
ими уровень
Максималь-
ный уровень
Вход
жидкости
аварийный
уровень
6
7
Фт
8
/2
13
19
9
10
11
Выход жидкости.
16
П
как используется герметичный электродвигатель. Уплотнение
лабиринтного типа, разделяющее полости насоса и электродви-
гателя, ограничивает проникновение пара натрия в привод.
Уплотнение расположено выше защитной пробки, состоящей из
слоя стальной дроби 13 высотой 810 мм, теплоизоляции 12
высотой 200 мм и слоя бетона 10 высотой 830 мм.
В качестве насоса второго контура на реакторе EBR II
применен электромагнитный насос переменного тока с подачей
1475 м3/ч, напором 43,5 м, мощностью 371 кВт и КПД 40%.
Насосы реактора «Fast Flux Test Faciliti» (FFTF, США)
[16—19]. Насос первого контура с рабочим колесом Г2 односто-
221
роннсго всасывания выполнен not ружным и установлен на
«холодной» ветке циркуляционного контура трехпетлевой ком-
поновки (рис. 5.41) Вал насоса 6 длиной 7,3 м вращается
в двух подшипниках: нижнем гидростатическом и верхнем
подшипнике 1 качения. Насос соединяется с приводным элек-
тродвигателем с помощью эластичной муфты Уплотнение выпол-
нено торцовым, двойным с масляным гидрозатвором. За исклю-
чением верхнего подшипникового узла насос изготовлен из
стали 304
Насосы первою и второго контуров идентичны по конструк-
ции, кроме проточной части. У насоса второго контура рабочее
колесо — двухстороннего всасывания. Приводом насоса является
электродвигатель с фазным ротором. Частота вращения регу-
лируется жидкостным реостатом.
Насосы реактора «Rapsodie (Франция) [20, 21] Насосы
первого контура центробежные, одноступенчатые, заглубленного
типа (рис. 5.42), установлены на «холодной» ветке циркуля-
ционного контура петлевой компоновки Вал насоса 10 враща-
ется в двух подшипниках: нижнем (узел //) — I СП, верхнем
(узел /) — двойном роликовом радиально-осевом. В качестве
привода применен асинхронный электродвигатель 13 в герме-
тичном исполнении. Всасывание натрия организовано сверху
благодаря перевернутому рабочему колесу 2 Пройдя рабочее
колесо, натрий попадает в направляющий аппарат 3 и далее
в напорный патрубок В насос первою контура встроен обрат-
ный клапан, который представляет собой поплавок с запираю-
щим диском. Питание ГСП осуществляется по сверлению в валу
с напора рабочего колеса через три отверстия диаметром 12 мм
и отверстие в обтекателе рабочего колеса. Чтобы избежать за-
сорения дросселей, в обтекатель встроен сетчатый фильтр.
В самом ГСП имеются дроссели диаметром 7 мм Поверхность
подшипника наплавлена колмоноем. Уплотнение юла двойное
торцовое, с масляным гидрозатвором Охлаждается уплотнение
маслом, циркулирующим в замкнутом объеме с помощью ла-
биринтного насоса, установленного на валу насоса. Масло ох-
лаждается водой в холодильнике, вынесенном из корпуса насоса.
Неподвижное кольцо пары трения — стальное со стеллитовой
наплавкой, подвижное кольцо—графитовое. Ремонт верхних уз-
лов осуществляется без разгерметизации контура. Дтя этой цели
служит ремонтное уплотнение (узел /), состоящее из диска,
герметично насаженного на вал, и запрессованною в нею рези-
нового кольца. При отворачивании гайки, крепящей верхний
роликовый подшипник, вал насоса скользит вниз и садится ре-
зиновым кольцом на бурт в корпусе насоса. Конструкция верх-
нею подшипниковою узла позволяет при ремонте демонтировать
подшипник и уплотнение единым блоком
Насос второго контура представляет собой аналогичную кон-
-7J
9
7
6
9
12
Подвод
Л
1 -
Выход жидкости.
10-—
Рис. 5 42. Конструкция насоса реакто-
ра «Rapsod ie»
7 — обратный клапан* ? рабочее колесо
3 направляющий аппарат; -/ — улитка,
5 — успокоительное кольцо; в — горизон-
тальные успокоители, 7- внутренний
антнвихревой цилиндр; 8 вертикальный
успокоительный цилиндр; 9 — уровнемер;
10—вал. II 17 — биологическая зати
та; 12 роликовый подшипник; 13 —
электродвигатель 14 механическая
муфта; /5 уплотнение вала /Л уплот-
няющее кольцо
^19
Вход
жидкости
Мокси-
мальн.
уоовень
Na
газа
Минимальный
уровень Na
223
224
струкцию, за исключением того, что по условиям работы в нем
отсутствуют биологическая защита и обратный клапан
Насосы реактора «Phenix» (Франция) [20, 21]. Каждый
из трех насосов первого контура представляет собой вертикаль-
ный, одноступенчатый, центробежный, погружной, со свободным
уровнем натрия агрегат (рис 5 43). За прототип по конструк-
ционным решениям и компоновке был взят насос реактора
«Rapsodie» Всасывание теплоносителя организовано сверху.
Пройдя рабочее колесо 6, теплоноситель попадает в направляю-
щий аппарат и далее в напорную камеру, где встроен обратный
клапан. Вся длина насоса от двигателя до напорного патрубка
составляет 17 мм, длина вала 12 равна 5 м. Вал насоса вра-
щается на двух опорах. Верхней опорой является двойной ро-
ликовый подшипник, нижнеи — дроссельный гидростатическим
подшипник 8, питаемый с напора колеса Диаметр ГСП равен
320 мм, радиальный зазор 0,5 мм При испытании на воде жест-
кость подшипника оказалась достаточной для того, чтобы огра-
ничить перемещения вала в диапазоне 20% радиального зазо-
ра Испытания насоса на частоте вращения около 650 об/мин
показали хорошую работоспособность ГСП.
Герметичность насоса по отношению к внешней среде обес-
печивается уплотнением вала по газу. Уплотнение—механи-
ческое, двойное торцовое, с масляным гидрозатвором Ремонт
верхних узлов насоса проводится без разгерметизации контура
при закрытом рабочем уплотнении.
Биологической защитой 15 является пробка, заполненная
чугунной дробью. На верхнем фланце защитной пробки име
ется двойная прокладка, которая герметизирует активный газ
в полости насоса от атмосферы Прокладка изготовлена из
термостойких сортов резины. Внизу защитной пробки предус-
мотрен слои изоляции 13, уменьшающий приток тепла в направ-
лении верхних узлов насоса
Насос с напорным трубопроводом соединяется с помощью
шарнирной муфты, которая исключает перекос и перемещение
насоса относительно напорной трубы. Вместе с тем конструкция
соединения создает достаточно высокую степень герметичности.
В насосе имеется инерционный маховик, позволяющий подавать
в активную зону необходимое количество натрия во время трех-
минутного перерыва в электропитании всей установки При более
Рис. 5 43 Конструкция насоса реактора «Phenix»:
1, 3 — нижнее и верхнее уплотнение соответственно; 2 расходомер, 7 — шарнир,
5 — направляющий аппарат; 6 — рабочее колесо; 7 — подводящая улитка; 8 — гидро
статический подшипник; 9 уровнемер 10—корпус насоса 11 термопара; 12 — вал
13 — теплоизоляция 14— сборник случайных протечек масла; 15— биологическая
защита; 16 — кожух воздушного охлаждения; 17 — блок подшипник уплотнение вала
Рис. 5 44 Конструкция насоса первого контура реактора «Super Phenix»:
1 — рабочее колесо; 2 обратный клапан; 3 — вал насоса: 4 — уровнемер 5 — привод
обратного клапана; 6 — проставка: 7 электродвигатель
225
IS-173
длительном перерыве маховик обеспечивает плавное снижение
частоты вращения до 100 об/мин. после чего автоматически
включается вспомогательный электродвигатель, питающийся от
аккумуляторов Главный привод насоса — асинхронный двига-
тель, снабженный статическим преобразователем частоты, плав-
но регулирующим частоту вращения насоса в диапазоне от 250
до 975 об/мин. Двигатель охлаждается теплообменником
«вода — воздух» по замкнутому циклу В качестве вспомога-
тельного привода служит электродвигатель постоянного тока
с питанием от аккумуляторов, имеющих выпрямитель, подсо-
единенный к вспомогательной сети низкого напряжения. В случае
полного обесточивания сети аккумулятор может питать энергией
вспомогательный двигатель в течение I ч В насосе предус-
мотрен тормоз, который воздействует на обод маховика и тем
самым исключает работу насоса в режиме турбины, если об-
ратный клапан не срабатывает.
Насосы второго контура встроены в компенсационные баки
каждой из трех петель Конструкция насосов идентична кон-
струкции насоса первого контура, но без биологической защиты,
инерционного маховика и обратного клапана
Насосы реактора «Super Phenix 1» (Франция) Общая ком-
поновочная схема насоса первого контура (рис. 5.44) принята
аналогичной насосу первою контура реактора «Phenix», но
проточная часть выполнена с некоторыми отличиями:
гидростатический натриевый подшипник расположен ниже
рабочего колеса;
диаметр нижнего лабиринта (около 1000 мм) выбран таким,
чтобы значительно уменьшить осевую силу, не меняя ее направ-
ления (вниз),
обратный клапан выполнен в виде кольцевой обечаики (об-
тюратора) на выходе из рабочего колеса.
В целях уменьшения массы вращающихся частей и нагрузки
на верхний подшипник вал 3 насоса выполнен полым с тол-
щиной стенки в средней части до 20 мм при диаметре 600 мм.
Расстояние между опорами 10 м I идростатическии подшип-
ник — камерный дроссельный, без сливных канавок между каме-
рами. Поэтому при меньшей, чем у ГСП насоса реактора «Phe-
nix» грузоподъемности (из-за выравнивания давления в рабочих
камерах за счет перстечек), в ГСП насоса реактора «Super
Phenix» уменьшена опасность заедания при контакте вала и кор-
пуса (больший гидродинамический эффект из-за отсутствия ка-
навок), он более технологичен Верхний подшипник и уплот-
нение по конструкции такие же, как в насосе реактора «Phe-
nix» Диаметры увеличены, но линейные скорости в уплотнении
(около 10 м/с) сохранены в связи с уменьшением частоты вра-
щения
Интересной представляется схема компенсации температур-
226
ных расширении насоса. Насос подвешен подвижно на упругом
кольце, а компенсация смещений в нижней части происходит
на цилиндро-сферической опорной поверхности напорного пат-
рубка Преимущества такого решения:
компактность и простота;
минимальная поверхность покрытия наплавкой;
максимальная демонтируемость системы;
минимальные протечки натрия между напором и всасыванием.
Новые проектные решения, используемые в насосе реактора
«Super Phenix 1», позволили преодолеть некоторые технологи-
ческие трудности, возникшие в связи с увеличением габаритных
размеров насоса.
Насос второго контура (рис. 5. 45) расположен в верхней
точке петли в буферной емкости 4, верхний фланец которой
служит опорой насоса. Корпус насоса и вращающиеся части
такие же, как и у насоса первого контура, но отсутствует био-
логическая защита и имеется теплоизоляция, которая предназна-
чена для защиты подшипника качения и уплотнения 3 Хотя
рабочее колесо 6 и вал 5 меньших размеров, ГСП сохранен
таким же, как и в насосах первого контура.
Материал, применяемый для изготовления насосов первого
и второго контуров,— нержавеющая сталь.
В |22] рассмотрены пути усовершенствования ГЦН для АЭС «Super
Phenix 2» мощностью 1500 МВт. Усилия проектантов были направлены на
увеличение их ресурса, снижение стоимости, оптимизацию размеров и сис-
темы привода, облегчение монтажных работ, особое внимание уделено эле-
ментам крепления ГЦН Приведены сравнительные характеристики ГЦН SPXI
и SPX2
Насосы реактора «Proiotip Fast Reactor» (PFR, Великобри-
тания) 123]. Насосы первого и второго контуров центробежные,
одноступенчатые, заглубленные, колодцевого типа со свобод-
ным уровнем натрия в баке (рис. 5.46, 5.47). Вал насоса пер-
вого контура установлен в двух подшипниках (нижний — гид-
ростатический, верхний — масляный подшипник скольжения)
Осевые силы воспринимаются радиально-осевой масляной пятой.
Герметичность по валу (по отношению к внешней среде) обес-
печивается торцовым уплотнением. Конструкция верхней части
насоса позволяс! при ремонте демонтировать подшипник и уп-
лотнение единым блоком. Герметичность по разъему между
баком и выемной частью осуществляется с помощью прокла-
док из теплостойкой резины.
Привод насосов — от асинхронного короткозамкнутого элект-
родвигателя с гидромуфтой. Она позволяет регулировать час-
тоту вращения насоса в диапазоне от 100 до 20% номинальной.
Изменение частоты вращения с помощью гидромуфты может
осуществляться как автоматически, так и вручную При авто-
228
магическом регулировании максимальная скорость изменения
частоты вращения берется от задающего устройства или из
системы регулирования установки. На случай увеличения мо-
мента сопротивления выше максимально допустимого значения
на валу насоса предусмотрен стержень, который срезается
во избежание поломки насоса.
Электродвигатель располагается на специальной станине.
Внутри станины к нижнему торцу двшателя через фрикцион-
ное устройство и редуктор с передаточным числом 3:1 крепится
вспомогательный электродвигатель 4 индукционного типа (пони-
мотор) Насос и основной электродвигатель соединяются между
собой при помощи кардана 7. Кардан с обеих сторон имеет
муфты переменной жесткости
На валу насоса устанавливается маховик, увеличивающий
до 8 с время выбега насоса при его аварийном обесточивании.
Поскольку озможпы перекосы элементов насоса первого
контура из-за разности температур по сто высоте, была пре-
дусмотрена специальная полость вокруг вала, в которой уровень
натрия держится постоянным на всех режимах работы. Допол-
нительно со стороны активной зоны реактора около каждого
насоса располагается тепловой экран, выполненный в виде
сектора. Для питания верхнего подшипникового узла и 'УВГ
имеется циркуляционная масляная система. Масло подается дву-
мя параллельно включенными насосами (для обеспечения
резерва в случае выхода из строя одного из них). Проточная
часть насоса первого контура состоит из колеса с двухсторон-
ним всасыванием, подводящих улиток, радиального диффузора
и напорной камеры. Материал деталей — нержавеющая сталь
316 Проточная часть выполнена таким образом, что при
извлечении выемной части насоса в баке остается напорный
коллектор. Уплотнение между напорным коллектором и ради-
альным диффузором происходит с помощью поршневых колец
из карбида вольфрама. Ответным элементом служит стелли-
товая втулка, закрепленная в корпусе напорной камеры. Натрий
из напорной камеры отводится по четырем трубам, направляю-
щим поток к отдельно расположенному обратному клапану.
Рабочее колесо насоса второго контура — диагонального типа,
литое Верхний покрывной диск для удобства контроля профиля
лопаток и качества отливки выполнен разъемным. Съемная часть
крепится к подвижной болтами
Рис. 5 45 Схема насоса второго контура реактора «Super Phenix».
! - электродвигатель; 2 — проставка; 3 — уплотнение вала; 4 — буферная емкость;
5 - - вал насоса; 6 — рабочее колесо
Рис 5 46. Схема насоса первого контура реактора PFR
- гидростатический подшипник; 2 емкость для слива масла; 3 — съемная биологи
четкая защита; 4 пони-мотор; 5 — гидромуфта; 6 — маховик; 7 - кардан; 8 — масля-
ный подшипник и уплотнение: 9— биологическая защита; 10— термобарьер // —
трубка для слива натрия
229
Рис 5 47 Схема насоса
второго контура реактора
PFR
/ масляный подшипник;
2 — емкость для слива мас-
ла 3 — экран; 4 — гидро-
статический подшипник, 5
фильтр гидростатического
подшипника 6 — уплотне-
ние вала по газу, 1 — кар-
дан. 8 — гидромуфта
2
6-
Выход Na
Выход Na
Вход Na
230
Вал насоса первого контура сварен из трех частей. Для его
облегчения и уменьшения теплопередачи к верхнему подшип-
никовому узлу средняя часть вала выполнена полой. Длина
вала насоса первого контура — около 4.5 м, второго контура
около 2.5 м Валы после сварки термообработке не подвергаются
В нижней части на вал напрессовывается втулка гидростати-
ческого подшипника, наплавленная стеллитом в среде аргона.
Диаметр наплавленной втулки насоса первого контура после
шлифовки 300 мм, насоса второго контура 230 мм
Нижняя опора в насосах ГСП дроссельного типа (см.
рис 3 22) с подводом натрия от напорною коллектора В связи
с небольшим количеством рабочих камер в подшипнике он
работает на низкой частоте вращения как гидродинамический
(за счет образогания натриевого клина между валом и подшип-
ником). Внутренняя поверхность подшипника наплавлена стел-
литом. Зазор между втулкой вала и обечайкой равен 0,3 мм
на сторону Диаметр дросселя 46 мм. Всего в конструкции
16 сменных дросселей по восемь в два ряда. На входе в напор-
ную камеру подшипника стоит сетчатый фильтр Биологическая
защита представляет собой бетонную пробку толщиной 1,5 м.
Для исключения обратною потока через остановленный насос
на нагнетании каждого имеется обратный клапан — обыкновен-
ная задвижка с ручным приводом, которым пользуются в ава-
рийных ситуациях Тормозная камера предохраняет седло
клапана от гидравлических ударов. Ручной привод действует по
принципу «винта и ганки». В данном случае винтом служит
шток клапана Сам клапан помещен внутрь металлического
корпуса, в который натрии попадает через специальные отверс-
тия, закрытые металлической сеткой Внутри корпуса клапана
имеется сепарационное устройство Принцип действия такого
сепаратора состоит в следующем За счет специальных паправ
ляющих лопаток осуществляется закрутка потока вокруг цент
ральнои оси Газ собирается в центре, откуда с помощью
специальной трубы отводится в 1 азовую подушку реактора Для
уменьшения гидравлического сопротивления используется нес-
колько таких сепараторов, работающих параллельно
Выемная часть насоса имеет ремонтное уплотнение, которое
отсекает газовхю полость насоса от окружающей среды при
устранении неисправностей, а также замене уплотнения или
верхнего подшипника Кроме того, оно отсекает верхнюю часть
насоса при попадании масла. Конструкция ремонтного уплотне-
ния насоса реактора PTR показана па рис. 3.25
Конструкционная схема насоса второю контура этого реак-
тора имеет много общих элементов с насосом первого контура
(рис 5 47).
Основные данные по некоторым отечественным и зарубежным
центробежным насосам для воды и жидкого металла приведены
в Приложениях I—4 231
Глава 6
ПРОТОЧНАЯ ЧАСТЬ НАСОСОВ
Проточная часть насосов состоит из трех основных элементов:
всасывающего подвода, рабочего колеса и отвода. В том случае
когда конструкционные особенности этих элементов совпадают
с традиционными решениями, хорошо изученными в обычном
насосостроении, то методы их расчета в зависимости от парамет-
ров и типа теплоносителя ничем не отличаются от изложенных
в [1, 2]. Однако для насосов АЭС часто по условиям их
компоновки приходится отступать в тех или иных элементах
от отработанных форм. В таком случае необходимо учитывать
влияние этих отклонений на гидравлические характеристики
проточной части.
При выборе размеров проточной части для ГЦН АЭС в
основном необходимо учитывать следующие факторы:
отступления в конструкции подвода и отвода от традицион-
ных решений,
существенно большие зазоры в лабиринтных уплотнениях
рабочего колеса;
относительно большие радиальные и осевые силы
6.1. ПОДВОДЯЩИЕ УСТРОЙСТВА
Каналы, подводящие поток к лопастному колесу, оказывают
значительное влияние на работу ГЦН. Основная задача при
расчете подводов сводится к обеспечению минимальных потерь
в проточной части патрубка и к снижению неблагоприятного
влияния патрубка на работу колеса, т. е. к получению равно-
мерного поля скоростей на входе в колесо Известно, что
невыполнение этого условия значительно ухудшает работу на-
соса, что выражается в снижении подачи, напора, КПД и
уменьшении всасывающей способности колеса.
Конструкция подвода должна обеспечить:
минимальное гидравлическое сопротивление подвода;
осесимметричный (с возможно более равномерным распреде-
лением скоростей) поток в выходном сечении подвода;
минимальную закрутку потока,
стабильность параметров потока на выходе из подвода.
Простейшей конструкционной формой подвода является
прямолинейный конфузор (рис. 6.1). Такая форма возможна
только при консольном расположении рабочего колеса Конфузор
обеспечивает получение более устойчивого потока при изменении
режимов и предотвращает возможность образования вихрей и
обратных токов. Повышение скорости в конфузоре на 15—20%
обеспечивает более устойчивый поток на входе в колесо. Кон-
фузорный подвод характерен для большинства ГЦН АЭС. Вместе
232
Выход жидкости.
Рис 6 1. Прямолинейный конфузорный
подвод:
/ рабочее колесо; 2 — конфузор
Рис. 6.2. Подводящий патрубок ГЦН с
л, =.65:
/ диффузор; 2 — лопатки; 3 колено;
4 — прямолинейный участок
с тем за последние годы были спроектированы и испытаны
для ГЦН формы подводов, отличающихся от классических.
Ниже приведено описание конструкций и результаты испытаний
некоторых подводов, геометрия которых обусловлена местом
расположения ГЦН в контуре. Конструкции подводов рассмотре-
ны в порядке увеличения коэффициентов быстроходности насо-
сов. Как известно, с увеличением коэффициента быстроходности
увеличивается влияние неравномерности потока на работу насоса
(вследствие увеличения скоростей, уменьшения длины каналов
и числа лопаток рабочего колеса) Поэтому у быстроходных
ГЦН следует особое значение придавать оптимальности формы
подвода.
Подвод для центробежного насоса с коэффициентом быстро-
ходности ns = 65 В этом случае перед входом в насос необходимо
осуществить поворот потока с расширением (рис. 6.2). Всасы-
вающий патрубок состоит из диффузора /, колена 3 постоянного
сечения с направляющими лопатками 2 и небольшого прямо-
линейного участка 4 перед насосом. В таком варианте подвода
последовательно проводятся сначала торможение, а затем
изменение направления потока на 90’. Подобная конструкция
эффективна тем, что имеет небольшие гидравлические потери
и относительно симметричное и равномерное поле скоростей в
выходном сечении (на входе в рабочее колесо).
Подвод для центробежного насоса с коэффициентом быстро-
ходности ns = 80 выполнен в виде бака, внутри которого уста-
233
~¥,5DO
Выход жидкости.
Рис. 6 3 Подводящий патрубок
ГЦН реактора БОР 60 (л$ = 80):
1 всасывающий патрубок; 2— на-
порные трубы; 3 — бак
Рис 6.4. Варианты испытанных подво-
дов для ГЦН реактора БОР 60
Рис. 6 5 Всасывающий подвод ГЦН с
л5 = 326
новлены четыре напорных трубопровода (рис. 6 3). Модель
подвода (в масштабе 1:5) была испытана на воде при двух
положениях напорных трубопроводов (рис 6 4) Наилучшее
распределение скоростей потока получено при установке напор-
ных трубопроводов по схеме 2. Распределение скоростей потока
на выходе из подвода равномерное (Ctnax/CIIlfll 1,04), закрутка
потока незначительна (закрутка оценивалась визуально при
помощи шелковых нитей).
Всасывающий трубопровод быстроходного центробежного
насоса ns = 320 имеет несколько гибов, после которых располо-
жены небольшой прямолинейный участок и конфузор, уско-
ряющий поток приблизительно на 40% (рис. 6.5). Аэродинами-
ческие испытания этого трубопровода показали, что коэффициент
неравномерности потока на выходе из конфузора составил при-
мерно 1,1.
Подвод центробежного насоса ns^350 представляет собой
бак /, внутри которого эксцентрично размешена напорная
камера 2 насоса (рис. 6.6). Для обеспечения более плавного
поворота потока в подводе предусматривается вытеснитель <?,
выполняющий одновременно роль разделяющего ребра. В про-
цессе аэродинамических исследований были измерены поле ско-
ростей на выходе из подвода и его гидравлическое сопротивле-
234
Рис Ьб Гидрокамсра центробежного насоса |/ах — <2»6Д>:
а = /„,/(2Н); Ь—а/3: Л = 0,75Do; <? = 0.7D r = 0,31D<]: / - бак 2— напорная камера
3 — ребро вытеснителя
ние. Испытания показали, что неравномерность потока в вы-
ходном сечении подвода одинакова для модели с вытеснителем
и без него (и составляет примерно 5%). Поле скоростей без
вытеснителя более симметрично. Коэффициент сопротивления
модели с вытеснителем и без него имеет одно и то же значение
(£ = 0,27 при Re = 10°3- 10 ). Во время стендовых испытаний
ГЦН наблюдалась пульсация его параметров: подачи, напора,
мощности (испытания проводились без вытеснителя). Пульсация
была устранена установкой на входе во всасывающий конфхзор
решетки с коэффициентом просвета Sp/STp = 0,64.
Результаты испытаний ГЦН с приведенными выше подводами
позволяют сформулировать некоторые рекомендации по их
проектированию:
1. В тихоходных ГЦН можно применять подводы в виде
колена с расширением. При этом подвод должен быть выполнен
из двух участков — диффузора и колена постоянного сечения
с направляющими лопатками (рис. 6.2)
2. В тихоходных ГЦН с подводом в виде бака с размещен-
ными внутри напорными трубами необходимо перед входом в
колесо устанавливать конфузор (рис. 6.3). Положение напорных
патрубков должно соответствовать схеме 2 (рис 6.4)
3. В быстроходных ГЦН со всасывающим трубопроводом,
имеющим несколько гибов, необходим перед насосом прямо-
линейный участок трубопровода длиной около 3D и конфузор,
ускоряющий поток примерно на 40% (D — диаметр трубопро-
вода ).
235
Очевидно, требуются дальнейшее накопление и обобщение
опыта проектирования подводов центробежных ГЦН АЭС, чтобы
выработать рекомендации по наиболее рациональным подводам
насосов различной быстроходности и исключить в перспективе
испытания подводов и их доводку, что приведет к сокращению
времени на проектирование и испытание ГЦН
6.2. ОТВОДЫ
Назначение каналов отвода потока:
обеспечить осесимметричный поток жидкости на выходе из
рабочего колеса, что создает условия для установившегося
относительного движения в области колеса,
преобразовать кинетическою энергию потока, выходящего из
колеса, в энергию давления без нарушения осевой симметрии
потока при выходе из колеса
Относительный скоростной напор, преобразуемый в отво-
дящих каналах в давление,
//д///т=1—р,
где На — динамический напор; Нг — теоретический напор; р —
коэффициент реакции. Следовательно, чем меньше коэффициент
реакции, тем большую долю напора отводящие каналы преоб-
разуют в давление и тем значительнее сказывается их гидравли-
ческое совершенство на КПД насоса.
У ряда I ЦН для АЭС (например, для АЭС с реакторами
РБМК) отвод выполняется в виде канального направляющего
аппарата, за которым располагается кольцевой сборник с на-
порным патрубком. Применение таких отводов значительно упро-
щает конструкцию насоса, но несколько ухудшает гидравли-
ческий КПД. В литературе по насосам даются следующие
рекомендации по выбору основных размеров таких отводов
[1, Введение]:
площадь меридионального сечения кольцевого коллектора
должна быть больше площади входа в каналы направляющего
аппарата не менее чем в 1,7 раза;
расчет направляющего аппарата следует проводить по про-
пускной способности, увеличив расчетное сечение на 5—10%;
высота меридионального сечения кольцевого отвода должна
быть больше 1/3 диаметр<1 напорного патрубка;
площадь радиального патрубка следует выбирать больше
площади коллектора примерно в 1,5 раза.
Однако приведенных рекомендации недостаточно для практи-
ческого проектирования. Необходимо привлечь теоретические
исследования на основе обшей гидромеханики в сочетании с
представительными модельными испытаниями.
236
6.3. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЦН
В процессе сдаточных испытаний ГЦН иногда приходится
корректировать их напор, воздействуя на геометрию колеса
изменением его ширины или диаметра выхода, а также угла
выхода лопаток При работе ГЦН на общин коллектор особенно
важна идентичность их характеристик для обеспечения равно-
мерной подачи.
При изменении наружного диаметра колеса расчетное опре-
деление характеристики ГЦН после подрезки обычно проводят
по методам, изложенным в [1, Введение; 3]. Однако во многих
случаях получают различные результаты, которые не всегда
сходятся с экспериментальными.
В [1, Введение] рекомендуется определять характеристики
насосов после обточки, используя зависимости:
Q' = K(D'2/D2)Q; Н' = К2 {D2/D2)2H\
N' = K* (D(2/D2)3N, (6 I)
где К — эмпирический коэффициент, зависящий от отношения
D2/D2 и быстроходности насоса ns.
По методу Бержерона [3] характеристики после обточки
пересчитываются следующим образом:
Q'=(D(>/D2)Q'\ H'=(D'2/D2) Н. (6 2)
В [4] рекомендуется рассчитывать характеристики также
по зависимостям (6.2), но при этом обточку рекомендуется
проводить не до D2, а меньше на i\D = К (JJ2 — D2), где Л — неко-
торый коэффициент, зависящий от (берется, в диапазоне зна-
чении 0,6—0,8). При изменении ширины выхода рабочего колеса
для определения характеристик насоса рекомендуются следую-
щие зависимости [I]
Q' = Q y/bi/b2; Н' = Н (6 3)
6.4. РАДИАЛЬНЫЕ СИЛЫ
Одной из основных проблем, возникающих при создании
ГЦН, является необходимость достаточно точно определять ра-
диальную силу. Без достоверного знания этой силы невозможно
правильно выбрать радиальные подшипники и обеспечить их
нормальную работу. Как показывает практика эксплуатации
ГЦН, в ряде случаев несущая способность радиальных подшип-
ников является недостаточной для восприятия значительных
радиальных сил, возникающих в I ЦН. Это приводит к усилен-
ному износу опорных элементов, сокращению срока службы
ГЦН В других случаях радиальные подшипники могут иметь
необоснованно большие запасы несущей способности, следствием
237
Рис. 6.7. Зависимость радиальной силы R и се направления от относительного
расхода Q/Q НОМ
чего являются значительное утяжеление, усложнение и удорожа-
ние конструкции в целом.
Радиальная сила на рабочем колесе — основной компонент
результирующей радиальной силы в насосе. На рис. 6.7 показана
типичная зависимость радиальной силы по величине и направле-
нию от подачи для ГЦН со спиральным отводом. Минимальное
значение радиальной силы соответствует подаче, близкой к
номинальной. Вблизи этого же значения подачи изменяется угол
направления действия силы: при QcQhom вектор радиальной
силы направлен в сторону меньших, а при Q> Qhom — больших
сечений спирального отвода согласно изменению характера рас-
пределения давления по окружности колеса.
В ГЦН с направляющим аппаратом указанная выше неравно-
мерность имеет место вдоль каждой лопатки, а полная осевая
симметрия потока за колесом также отсутствует. Следствием
нарушения круговой симметрии в распределении давлений и
скоростей за колесом и является появление неуравновешенной
поперечной силы, действующей на ротор насоса. Чем больше
неравномерность, а она возрастает с удалением от расчетной
подачи, тем больше и радиальная сила.
При оценке радиальных сил в ГЦН широкое применение
находит формула, предложенная в [1, Введение] на основании
исследования насосов средней быстроходности (для холодной
воды):
R = 0AKHD2b^ (6.4)
В насосах со спиральным отводом для определения безраз-
мерного коэффициента К рекомендована формула
K = 0.36[l-(Q/Q„„„)2], (6.5)
а в насосах с кольцевым отводом
/< = 0.36(Q/QHOM). (6.6)
Из выражений (6.4) и (6.5) следует, что максимальное
238
значение радиальном силы соответствует нулевой подаче, а
минимальное (равное нулю) — номинальной подаче, когда
К = 0,36.
Однако зависимость (6.5) не отражает действительного
характера течения во многих конструкциях центробежных насо-
сов: при расчетном режиме R теоретически становится равной
нулю, но практически и при расчетной подаче полная симметрия
потока около колеса отсутствует, вследствие чего /?^=0.
Кроме того, рассчитанные по этим формулам данные зна-
чительно отличаются от экспериментальных. В связи с этим, учи-
тывая важность выявления влияния конструкционных особен-
ностей на радиальные силы, рассмотрим один из методов * их
определения применительно к ГЦН АЭС.
Расчетный способ позволяет определять радиальную силу,
вызванную нарушением осевой симметрии потока на выходе из
рабочего колеса в насосах с реальной геометрией отвода. Ра-
диальную силу при известном распределении параметров потока
на выходе из рабочего колеса можно определить по следующим
формулам:
Лр»л = Л (6.7)
2л 2л
/?х = — рЦЬлГц Нет COS q til] —[уЬ>Го Cm2X
о о
X (СХ. cos q + Си2 sin <p)J<p; (6.8)
2л 2л
Ry = — Р^^зГ^ /Л-Т sin (|dq — Cm2X
о о
X (Cm.2 sin ([ — Cu., cos (6.9)
Здесь RXt Ry — проекции радиальной силы на оси координат;
р — плотность перекачиваемой среды; g — ускорение свободного
падения; г2 — наружный радиус колеса; /Л-т— статическая часть
напора; Ст.2, Си., — проекции абсолютной скорости на меридио-
нальное направление и направление переносной скорости соот-
ветственно; bi и Ь3 — ширина колеса в свету и с дисками соот-
ветственно.
Задача расчета радиальных сил сводится к определению
параметров потока на выходе из рабочего колеса.
Рассмотрим усредненную за один оборот картину течения
потока от выхода из колеса до входа в напорный патрубок от-
вода (рис. 6.8). Условно разобьем окружность рабочего колеса
на А равных частей. Выходящий из рабочего колеса поток
будем характеризовать усредненными по сечению проекциями
* Разработан канд техн, паук В А Бабиным.
239
Рис. 6.8. Схема разбиения отвода и
выходной окружности рабочего колеса:
Л дополнительный элемент для расчета
потерь на входе в напорный патрубок;
В и С - соответственно элементы со слия-
нием и разделением потоков; Q/ — расход
в отводе; Rt — радиус центра тяжести
/-го элемента отвода; г2 — радиус наруж-
ной окружности рабочего колеса; Q*
расход, поступающий в i й элемент отвода
из рабочего колеса, Qc, — расход через
1-е сечение отвода; Л,— угол разделения
потоков
абсолютной скорости CU2i) и напором, развиваемым дан-
ным участком (//т,). Для нахождения //т, воспользуемся урав-
нением Эйлера.
Соответственно разбивке окружности выхода рабочего коле-
са проведем разбивку спирального отвода. Кроме того, выделим
в районе «языка» о.крали дополнительный элемент 4 таким
образом, чтобы жидкость в него непосредственно из колеса не
поступала (рис 6 8).
При работе насоса имеет место либо слияние, либо разделе-
ние потоков в рассматриваемых элементах. Поскольку при этом
происходит изменение скоростей по величине и направо ению
и существует трение, то движение1 жидкости сопровождается
гидравлическими потерями.
Гидравлические потери для выделенных элементов можно
получить с помощью уравнения момента количества движения,
закона сохранения энергии и уравнения неразрывности При из-
вестных коэффициентах неравномерности параметров потока по
сечению они имеют вид:
а) слияние (элемент В, рис. 6.8):
выход из колеса
проход через z-й участок
(6.Ю)
б) разделение (элемент С, рис 6.8):
(6.11)
240
вход в колеса
hp6l = №₽
проход через / й участок
»р <гр [| 1 ^1 У о Qc/ + i ^/ + >1 Qq
Л' "L -+-V Fj^j Qci f.+ i J2gfT
где
2лг2Ь2 .
—г;—sin
A
(6 12)
6, — угол слияния или разделения потоков; R, — радиус центра
тяжести 4-го сечения спирали
В формулах принято, что коэффициенты неравномерности
потока по сечению равны единице.
У элементов с малым искривлением оси можно считать:
№ = № = №Р = 1; № = 0,4.
Посредством потери энергии при движении жидкости от вы-
хода из 4-го участка рабочего колеса до входа в напорный пат-
рубок в виде
I i
(6.13)
где hjp t — потери на трение на /-м участке; /гвх — потери на раз-
деление или слияние в элементе А. Тогда для заданного режима
работы насоса параметры потока на выходе из рабочего колеса
должны удовлетворять перечисленным ниже условиям.
1 Напор, создаваемый в патрубке насоса, равен напору, раз-
виваемому 4-м участком колеса с учетом гидравлических потерь
в колеса hK за вычетом гидравлических потерь на протяжении
от данного участка до напорного патрубка, и одинаков для всех
участков:
/Д,-й.—йк = /7 = (/А.-Л,-й,<) <?<>,]/£ (6.14)
i=l i“1
2 Для выбранного режима работы насоса сумма мощностей,
передаваемых жидкости по участкам, равна заданной мощности,
затрачиваемой колесом:
у
Р £= Л1Г. (6.15)
(=1
3 . При установившемся режиме работы насоса сумма гидрав-
241
16-173
лических потерь по замкнутому контуру равна нулю:
1(/г.» + Лгр,) + л5 =0 (6 16)
В этих формулах — потери на проход на участке А; Н —
напор, создаваемый насосом в патрубке, р — плотность пере
качиваемои среды; Nr — гидравлическая мощность колеса, из-
вестная из предварительного расчета или из обработки экспери-
ментальных данных; расход среды, выходящей из z-ro
участка колеса.
Нетрудно видеть, что получена замкнутая система нелиней-
ных уравнений, решение которых дает распределение парамет-
ров потока вокруг рабочего колеса. Следовательно, решив урав-
нения (6.11) — (6.16), можно получить необходимые данные для
вычисления радиальной силы, используя уравнения (6 7) — (6.9)
Следует добавить, что в процессе решения находятся гид
равлические потери в отводе, а это, в свою очередь, является
самостоятельной проблемой при проектировании насосов.
Для заданного режима работы насоса задача определения
оптимальной в отношении потерь геометрии отвода сводится
к нахождению минимума функции вида
/г = /(х,). /=1,2..N,
где h — средние потери в отводе; х, — геометрические характе-
ристики z-го сечения.
Решение данной задачи с использованием предложенного спо-
Рис 6 9. Зависимость радиальной силы R от подачи в насосе 6К-8
/ — экспериментальные данные, 2 — расчет по предлагаемой методике; 3 — расчет по
[I, Введение], 4 — расчет по |7]; кривая H — —экспериментальные данные;
символы — расчет по предлагаемой методике
Рис 6.10 Зависимость радиачьной силы R от подачи для насоса 8К-17:
/— экспериментальные данные 2 расчет по предлагаемой методике; 3—расчет по
[3] ; кривая Н =[{Q) — экспериментальные данные; символы — расчет по предлагаемой
методике
242
соба расчета не вызывает принципиальных затруднении.
Сопоставление результатов предлагаемого способа расчета
радиальных сил с экспериментальными данными было проведено
для насосов 6К-8 (д5. = 80) и 8К-17 (л<=170). На рис. 6.9 и 6.10
приведены зависимости R = f(Q) для этих насосов
В целях сравнения разработанного способа расчета с ранее
предложенными на рис. 6.9 и 6.10 приведены также зависимости,
определенные по [6, 7]. Видно, что способ в целом описывает
зависимость значительно точнее.
Для насосов с однозаходным спиральным отводом результаты
расчета достаточно хорошо совпадают как в качественном, так
и в количественном отношении с данными эксперимента. Это
свидетельствует о том, что предлагаемая математическая модель
правильно описывает общие закономерности движения жидкости
в отводе
Кроме расчетной зависимости на рис 6 9, 6 10 приведены
гидравлические характеристики насосов. Хорошее совпадение
расчетных точек с экспериментальными кривыми также служит
подтверждением правомерности данного способа расчета
6.4 1 СПОСОБЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАДИАЛЬНЫЕ СИЛЫ
Для уменьшения радиальных нагрузок применяются двух-
заходные спиральные отводы и т. п
Интерес представляют некоторые способы воздействия на
радиальные силы. Они в основном используются в тех случаях,
когда необходимо уменьшить радиальные усилия в ГЦН в про-
цессе их опытной отработки Специальные устройства (рис. 6.11)
позволяют создать силу, противоположную но направлению из-
вестной радиальной силе. В результате происходит полное или
частичное уравновешивание радиальной нагрузки При приме-
нении устройства противодействующая радиальная сила созда-
ется благодаря повышенному давлению на участке поверхности
лабиринтного уплотнения рабочею колеса. Это достигается при-
менением либо паза в цилиндрической стенке (рис. 6.11, а) [8],
либо выступа, выполненного в виде сектора, закрепленного на
корпусе (рис. 6 11, б) [9] Расположение этих устройств соот-
ветствует направлению вектора радиальной силы
В устройстве, показанном на рис. 6.11, в, появление уравно-
вешивающей силы достигается применением одного или двух
радиальных ребер, расположенных в пазухах насоса. При этом
ось симметрии ребер отстоит от направления обратного действия
радиальной силы на угол 60-90’ против вращения колеса.
Уравновешивающая сила обусловлена несимметричным обтека-
нием ребер: перед ними из-за торможения потока происходит
повышение давления, а за ними — снижение.
243
Рис. 6.11 Конструкционные схемы воздействия на радиальные силы
6 4 2. СОСТАВЛЯЮЩИЕ РАДИАЛЬНОЙ СИЛЫ
Говоря о радиальной силе, мы до сих пор подразумевали ее
среднее значение за некоторый промежуток времени в услано
вившемся режиме работы ГЦН. Типичная запись изменения
радиальной силы во времени, полученная на электромагнитном
осциллографе, представлена на рис. Ь 12 Из записи видно, что
радиальная сила состоит из статической и динамической компо-
нент, причем последняя имеет волновой характер и по величине
вполне соизмерима с первой Оказалось, что динамическая ком-
понента не является циклической относительно одного оборота
вала в области малых подач — от нуля до 0,5QHom, когда поток
244
в колесе нестабилен.
В динамической компоненте можно выделить три составляю-
щие Первая — возникает на частоте, равной частоте вращения
вала о). Ее амплитуда, постоянная на малых подачах, возрастает
с увеличением подачи Частота второй составляющей равна про-
изведению частоты вращения вала и числа лопастей колеса:
Она тоже хорошо обнаруживается на всех подачах. Третья
составляющая имеет место на всех прочих частотах. Амплитуда
ее, значительная на малых подачах, когда отсутствует циклич-
ность радиальной силы вследствие нестабильности потока в насо-
се, уменьшается с возрастанием подачи и имеет минимальное
значение вблизи QHOM, когда поток по периферии колеса стабилен.
Волновой характер радиальной силы во многом предопреде-
ляет виброакустические характеристики ГЦН Так, значительная
вибрация наблюдается на частотах wzi, wZiZ-?. При рациональ-
ном выборе чисел zi и z? лопаток колеса и направляющего аппа-
рата обеспечивается минимальное значение уровня вибрации
(в частности, целесообразно выбирать Z| четным, a z2 нечетным,
или наоборот). Если статическая компонента радиальной силы
вызывается асимметрией отвода и подвода, то динамическая
обусловлена неидентичностью каналов рабочего колеса. При
этом асимметрия потока на входе и выходе из рабочего колеса
также сказывается на величине динамической составляющей
В качестве примера можно привести насос с ns=110, с от-
водом в виде направляющего аппарата со сборной камерой, в
котором обнаружена связь между эксцентриситетом в лаби-
ринтном уплотнении рабочего колеса и радиальной силой. При-
чинами изменения радиальных нагрузок при изменении эксцент-
риситета в щели лабиринта являются перераспределение поля
скоростей на всасывании ГЦН, вызванное перераспределением
протечек по окружности лабиринтного уплотнения, и изменение
подъемной поперечной силы в щели лабиринта.
245
Исследования проводились на вертикальном насосе с осевым
подводом жидкости, радиальным направляющим аппаратом и
боковой сборной камерой. Число лопаток рабочего колеса zp к —
= 7, число лопаток направляющего аппарата 2Н. а = 8
Радиальные силы измерялись при помощи специально раз-
работанного устройства, в котором радиальные подшипники вы-
вешивались на четырех кольцевых тензоэлементах Предвари-
тельно проводилась тарировка устройства но радиальным нагруз-
кам При этом оказалось возможным кроме значения силы опре-
делить и ее направление. Это позволило при обработке резуль-
татов измерений получать мгновенные значения нагрузок, дей-
ствующих на рабочее колесо Тензометрическая система обеспе-
чивала погрешность измерений не более ±10%.
При обработке осциллограмм на режимах Q = 0,5 4-1,4) Qh<>m
была обнаружена четкая периодичность нагрузок, равная час-
тоте вращения вала Это позволило анализировать изменение
силы за один оборот вала При подачах, близких к нулевым
(Q<0,5QHom), наблюдалось хаотическое изменение нагрузок,
вызванное, по-видимому, возникновением срывных и помпажных
явлений в колесе Анализу подвергались режимы, в которых
наблюдалась периодичность нагрузок с частотой вращения вала
Измерения показали, что в насосе существуют значительные
радиальные нагрузки, зависящие от режима работы.
Спектральный анализ осциллограмм, приведенных на
рис. 6.12, позволил выделить частоты, на которых имеют место
наибольшие нагрузки Амплитуды значения нагрузок на различ-
ных частотах представлены в табл. 6.1.
Из таблицы видно, что наиболее существенными являются
постоянная составляющая и переменные составляющие резуль-
тирующей силы, кратные со и 7со, где <о — основная частота вра-
щения вала.
Наличие периодической радиальной нагрузки, изменяющейся
с частотой го), обусловлено несимметрией потока на входе и
выходе из рабочего колеса, где г — число лопаток рабочего ко-
леса (2 = 7).
При анализе данных эксперимента было сделано предположе-
ние о наличии в лабиринтном уплотнении рабочего колеса эк-
сцентриситета и о влиянии его как на постоянную, так и на пере-
менные радиальные нагрузки, действующие на рабочее колесо.
Таблица 6.1
Подача насоса мл/ч Радиальная сила. кН
(О 2о Зю 4о) 5 а> ба 7(0 8(0 const
16! 66 13 9 11 11 2 13 9 86
186 43 19 11 11 16 13 38 15 91
248 54 23 10 21 39 73 86 3 146
246
Таблица 6.2
Режим работы насоса ‘ Радиальная сила. Н
/?<-т /?.п
х=о •Х = О.З Х = 0.3 Х = 0 Z = 0,3
Фном 31 86 2 55 5 18
1 5! 137 11 21 15 89
В целях проверки высказанного предположения были про-
ведены эксперименты при различной величине относительного
эксцентриситета в нижнем лабиринтном уплотнении колеса
Х = 0 и х = 0,3. Номинальный радиальный зазор в данном случае
был равен 0,31 мм.
Результаты измерения радиальных сил приведены в табл 6.2,
откуда видно, что при х = 0,3 значения постоянной и перемен-
ных составляющих радиальной силы существенно выше, чем
при % = 0. Очевидно, что при х = 0 рабочее колесо работает в
относительно равномерном потоке и при этом все гидравличе-
ские нагрузки малы. При х = 0,3 появляется окружная неравно-
мерность потока па входе рабочего колеса, следствием чего и
является увеличение радиальных нагрузок.
6.5. ОСЕВЫЕ СИЛЫ
При больших единичных мощностях агрегатов осевые усилия,
действующие на рабочие колеса, могут достигать нескольких
десятков и даже нескольких сот тонн. Поэтому определение
фактических осевых усилий является весьма актуальным.
Расчет сил, действующих на боковые поверхности рабочих
колес, может быть представлен в виде двух отдельных задач,
каждая из которых до настоящего времени не имеет строго
аналитического решения Первая — определение полей скоростей
и давлений на входе в зазоры между колесом и корпусом; вто-
рая — расчет течения жидкости в зазорах между вращающимся
колесом и кожухом при известных входных граничных условиях
и геометрии зазора.
Обе задачи взаимосвязаны и могут быть решены при ряде
упрощающих предположений итерационным способом. Рассмат-
ривая их независимо друг от друга, можно получить результаты,
которые в дальнейшем используют для расчетов осевых усилий.
В [2] приводится следующая зависимость для определения
статического давления на выходе из рабочего колеса:
n. v 2(7^..
247
При этом предпола!ается постоянство меридиональных ско-
ростей на входе и выходе из колеса, отсутствие потерь в рабочем
колесе и полная круговая симметрия потока на выходе и входе
Практически все исследователи исходят из того, что статическое
давление по ведущему и покрывному дискам колеса одинаково
и, кроме того, отсутствует неравномерность но углу Однако
опыт экспериментальных исследовании показывает, что у насо-
сов окружная неравномерность на выходе отсутствует лишь на
оптимальном режиме, и при отклонении режима от оптимального
неравномерность давлений по окружности выхода колеса может
достигать значительной величины. Уже поэтому нельзя считать
расчет осевых усилий по любому из известных методов точным
и необходимо в конструкции ГЦН предусмотреть определенные
способы воздействия на осевые усилия.
Сложность действительной картины течения жидкости в бо-
ковых пазухах при практически произвольных граничных усло-
виях нс позволяет применять точные методы гидродинамики, в
связи с чем используются упрощенные модели течения. Наиболь-
шее распространение в инженерной практике нашел способ рас-
чета давления в пазухах насоса, основанный на предположении
о том, что жидкость в пазухах вращается как твердое тело с
некоторой скоростью ыж, которая, как показали теоретические
и экспериментальные исследования, является функцией многих
параметров:
S - S/R-2\ R = R/R2-, № = QnP/(R2U->y, Си = Cu/U2,
где S — осевой зазор; Qnp — объемные утечки
В тех случаях, когда сож = const, распределение давлений
может быть получено аналитически из решения дифференциаль-
ного уравнения равновесия элементарного слоя жидкости без
учета сил трения по поверхности колеса и корпуса:
dH/dR = ^R/g. (6.17)
интегрирование которого дает
(6 18)
Чаще всего принимают <ож = 0,5, и тогда выражение (6 17) при
нимает вид
*4 = (6.19)
Осевая сила с одной стороны колеса от наружного радиуса
до радиуса лабиринтного уплотнения после интегрирования по
поверхности колеса будет
F= pgn (Л1- /?’) | II. 1 (6 20)
I. 18Д J
248
Рис. 6 13. Зависимость относительной скорости вращения жидкости от отно-
сительного зазора R/Ri
В [23. гл. 3] приведена зависимость <ож — f(R) для различных
значений S=S/R? (рис. 6.13), используя которые можно опре-
делить //р, проводя численное инте! рирование уравнения (6 17),
а затем численным интегрированием определить F.
На величину шж оказывают влияние шероховатость диска и
корпуса, наличие радиального течения, Re и ряд других фак-
торов.
Для I ЦН характерно то, что их рабочие колеса имеют доста-
точно большие размеры и относительно большие зазоры в ла-
биринтных уплотнениях. Учитывая сложный характер течения
в зазорах между колесом и неподвижным корпусом, аналити-
ческие методы следует применять лишь для ориентировочной
оценки осевых сил, а уточнение их и доведение до приемлемых
значений следует проводить при отработке модельных насосов
и головных образцов штатных насосов При испытаниях мо-
дельного насоса ГЦН для РБМК была определена зависимость
осевой силы от подачи, приведенная на рис. 6.14. Это позволило
найти зависимость осевой силы для натурного ГЦН от подачи
и давления на всасывании. Осевая сила для натурного насоса
описывается соотношением
Fn = F„ + P-452PBff,
где Fn— осевая сила на подшипнике; Рвс—давление на всасы-
вании Осевые силы на рабочих колесах натурного и модельного
насосов взаимосвязаны.
где FH — осевая сила на рабочем колесе натурного насоса;
X — коэффициент моделирования, пн, рн, пм, рм — частота вра-
щения и плотность перекачиваемой среды натуры и модели соот-
ветственно, FM — осевая сила на рабочем колесе модели Исполь-
зуя данную зависимость, можно построить график зависимости
осевой силы от подачи для натурного насоса (рис 6.15)
249
Рис 6 I Зависимость осевой силы / „
на рабочем колесе модельного насоса
II1Н реактора РБМК 1000 от пода-
чи Q
Рис. 6.15 Зависимость осевой силы
Ап на осевом подшипнике ГЦН реакто-
ра РБМК I|'О0 от подачи при различ-
ном давлении с выключенной (а) и
включенной (с» разгрузкой
Значение осевой силы в ГЦН для РЬМЬ при низком давлении на всасывании
в допускаемом диапазоне подач (4500—12 000 м3/ч) без принятия специальных
мер могло бы достигнуть 750 кН Чтобы обеспечить надежную работу осевого
подшипника рассчитанного на нагрузку не более 250 кН. введена система раз-
грузк'*, сообщающая заколесную полость со всасыванием Г1.1Н и снижающая
т._м самым осевую силу до приемлемой Для простоты обслуживания насоса
задвижка в системе разгрузки имеет два положения открыто до давления на
всасывании 6,5 МПа и закрыто - при превышении указанного давления. Из-за
увеличения зазора в верхнем лабиринте возрастают утечки и давление ь заколес
ной полости и увеличивается осевая сила (вниз) Результаты оценки осевой
силы при увеличении зазора в верхнем лабиринте в 1,5 раза по сравнению с но-
минальным приведены на рис 6.16
При увеличении зазора в нижнем лабиринте появляется дополнительная
разность давлений между' верхней и нижней заколесными полостями что при
водит к возрастанию осевой силы (вниз) Результаты этой оценки для различ-
ных зазоров показаны на рис 6 17. из которого видно, что износ нижнего лаби-
ринта вызывает существенное увеличение осевой силы
Рис. 6 16. Зависимость прироста осевой
силы от подачи при зазоре в верхнем
лабиринте колеса I ЦН реактора
РБМК-1000
Рис. 6.17. Зависимость инроста осе-
вой силы \F„ от зазора в нижнем ла
биринтс юлеса зля Q — м ’/ч ГЦН
реактора РБМК 1060
250
В насосах для АЭС применяется несколько способов воздей-
ствия на величину и направление осевой силы.
Разгрузка осевых усилий с помощью разгрузочного лабирин-
та и разгрузочных отверстий. В консольных ГЦН разгрузка от
осевых сил гидравлического происхождения очень часто осу-
ществляется с помощью лабиринта на ведущем диске и разгру-
зочных отверстий. Суть идеи состоит в том, что полость от ступи-
цы колеса до лабиринтно! о уплотнения соединяется разгрузочны-
ми отверстиями в колесе или корпусе ГЦН со всасыванием.
Обычно разгрузочные отверстия выполняются такими, чтобы их
сопротивление было мало. Если условно принять положение ла-
биринта на ведущем и ведомом дисках колеса на одном радиусе,
а боковые пазухи симметричными, то силы, действующие на по-
крывной и ведущий диски колеса, будут практически равны.
Обычно площадь разгрузочных отверстии в 4—5 раз больше
площади проходного сечения лабиринта. Если поле давления в
пазухе насоса в настоящее время не может быть рассчитано с
достаточной точностью, то наличие в пазухах разгрузочных от-
верстий еще более усложняет задачу. Поэтому необходимо
ориентироваться на экспериментальную проверку. Аналогичное
утверждение относится и к расчету разгрузки лабиринтными
уплотнениями. Коэффициент сопротивления вращающихся щелей
однощелевого лабиринта можно оценить из соотношения
U=(l+0.125^ )и
Со'
где Но — коэффициент сопротивления неподвижного лабиринта.
Импеллерная разгрузка. Во многих случаях изменение осевой
силы в ГЦН осуществляется за счет изменения вращения жид-
кости в пазухах рабочего колеса за счет вращающихся вместе с
колесом или неподвижных ребер. Для вращающихся ребер [1]
рекомендуется следующая зависимость для определения средней
скорости вращения жидкости в зазоре между вращающимися
ребрами (при числе ребер больше шести) и корпусом при от-
сутствии радиального течения:
(6.21)
где h — высота ребра; S — суммарная высота пазухи.
Осевая сила, действующая на оребренную поверхность коле-
са, определится в этом случае следующим образом:
Г 9 •
= Л + еЖ - W (6.22 )
I og о
251
Рис G 18. Схема раз! рузкн m
осевой силы с помощью непод-
вижных ребер:
/1 полость с ребрами Б по-
лость без ребер
| Выход жидкости
Рис 6 14. Схема герметичного насоса
В некоторых насосах осевую силу, действующую на рабочие
колеса, изменяют, выполняя неподвижные ребра в пазухах со
стороны ведомого лиска или за разгрузочным лабиринтом со сто-
роны ведущего диска. В том случае, если надо увеличить силу в
сторону всасывания, неподвижные ребра устанавливают со сто-
роны ведущего диска (рис. 6.18). Если условно считать пазуху
разделенной ребрами па две полости — полость А, где угловая
скорость вращения жидкости в ребрах щл=0, и полость Б, где
угловая скорость вращения жидкости <о6=0,5<од, то среднюю ско-
рость вращения жидкости в пазухе с неподвижными ребрами
можно определить (в первом приближении) как средневзвешен-
ную по зазору:
/? -}- о 2 \ Л п /
где wj — угловая скорость вращения диска колеса.
Тогда осевая сила, обусловленная неравномерностью поля
давления на дисках колеса, может быть определена по формуле
= —W>(l~i6pl + 6)(^-R')]- (6'24)
Механизм действия неподвижных ребер в зоне разгрузочных
отверстий за разгрузочным лабиринтом объясняется следующим
образом. Когда в зоне разгрузочных отверстий камера корпу-
са гладкая, то вследствие вращения диска колеса давление в
полости А повышается с ростом радиуса, когда же в полости А
есть неподвижные ребра, то давление в ней почти постоянно, а
среднее давление меньше, чем при отсутствии ребер. Это, с одной
стороны, уменьшает осевую силу, а с другой — увеличивает про-
течки через лабиринт и давление в зоне разгрузочных отверстий.
252
Опыт отработки ГЦН показал, что на осевую силу оказывает
влияние не только количество ребер, но их форма и размеры.
В частности, известен случай, когда наименьшая осевая сила
имела место при наличии в зоне разгрузочных отверстий шести
болтов диаметром 18 мм, в то время как ожидали получить
наименьшую силу при установке радиальных ребер.
Особенности расчета осевых сил герметичных насосов. В гер-
метичных ГЦН осевые и радиальные подшипниковые опоры ра-
ботают в перекачиваемой среде.
В них можно выделить контур основного колеса и контур
охлаждения электродвигателя (рис. 6.19). Поскольку осевые силы,
действующие на рабочее колесо при одной и той же подаче,
меняются пропорционально изменению плотности перекачи-
ваемой среды, то происходит изменение осевой силы, действу-
ющей на подшипники насоса при изменении температуры ра-
бочей среды. Осевая сила, действующая на осевой подшипник
герметичного насоса, определяется но формуле
F=FPK+?P + ?B.K, (6.25)
где Гр к — осевая сила, действующая на основное рабочее колесо
и вал; Fp — осевая сила, действующая на элементы ротора и вал
от перепада давления между напором и всасыванием вспомога-
тельного колеса, FB K — осевая сила, действующая на вспомога-
тельное колесо.
Осевая сила на рабочем колесе может определяться с исполь-
зованием формулы (6 20). Осевая сила, действующая на вал в
сечении, отделяющем основной контур от контура охлаждения,
находится по зависимости
Яа_а = Нар£л.г~а, (6.26)
где На — статическое давление в сечении относительно всасыва-
ния основного колеса, га— радиус вала в сечении а — а
Осевая сила па ротор определяется интегрированием сил дав-
ления по поверхностям ротора вследствие движения жидкости в
зазорах между ротором и статором. Сила, действующая на вал
в сечении а —а, определяется по зависимости
Fa-a= —НаррЛГи, (6.27)
где Н'а — статическое давление в сечении а — а относительно
всасывания вспомогательного колес, а
6.6. КАВИТАЦИЯ
Явление кавитации в движущейся жидкости возникает в тех
случаях, когда статическое давление в какой-либо области пото-
ка падает ниже давления насыщенного пара жидкости Реаль-
ная жидкость, как правило, не может воспринимать растя! ива-
ющих усилий, которые возникают при падении давления в ней
253
ниже давления насыщенного пара, поэтому в указанных об-
ластях происходит ее вскипание и нарушается сплошность пото-
ка с образованием многочисленных паровых пузырьков и устой-
чивых каверн, примыкающих к стенкам.
Как только паровые пузырьки, движущиеся вместе с потоком
жидкости, попадают в область, где статическое давление выше
давления насыщенного пара, пар конденсируется и пузырьки
исчезают
Образование пара в потоке сопровождается затратой тепла,
отбираемого от жидкости, расположенной вблизи паровых пу-
зырьков и каверн. В результате температура жидкости в этих об-
ластях несколько понижается, давление становится ниже перво-
начального давления насыщенного пара и вскипание жидкости
происходит с запаздыванием при достижении определенной сте-
пени ее перегрева Процесс конденсации пара в области потока
с повышенным давлением происходит также с некоторым за-
паздыванием при достижении определенной степени его переох-
лаждения Эю обстоятельство способствует тому, что конденса-
ция пара в пузырьках совершается с большой скоростью, а ча-
стицы жидкости, движущиеся к центру пузырька, также дости-
гают большой скорости. В районе исчезновения пузырька проис-
ходит сильный 1 идравлический удар, в результате которого мгно-
венное местное давление может достигать нескольких десятков
мегапаскалей Если жидкость содержит растворенный газ, то в
пузырьках и кавернах вместе с паром присутствует и выделив
шийся газ. Быстрое сжатие газа в области исчезновения пузырь-
ка не дает ему полностью раствориться в жидкости вновь и при-
водит к повышению его температуры в конце сжатия
Наличие mhoi очисленных гидравлических ударов приводит к
периодическому колебанию размеров вновь возникающих пузырь-
ков при их движении в потоке жидкости Весь процесс кавитации
обычно сопровождается шумом и вибрациями
Если исчезновение пузырьков происходит вблизи стенки, то
следующие с большой частотой местные гидравлические удары
через некоторое время начинают разрушать поверхностный слой
стенки, образуя гидравлические клинья в результате проникно-
вения частиц жидкости в мельчайшие поры материала стенки.
При этом в поверхности стенки могут происходить как хими-
ческие, так тепловые и электрические процессы, усугубляющие
разрушительное действие кавитации. Поверхность стенки при-
обретает характерный «изъязвленный» вид. Такой тип разруше-
ния материала получил название «кавитационная эрозия».
Опыты показали, что чем больше химически стоек материал и
чем чище обработана его поверхность, тем в меньшей степени
он подвергается разрушению в результате воздействия ка-
витации.
Исходя из описанных физических явлении, можно полагать,
254
что характер процесса кавитации в текущей жи [кости зависит
от скорости потока, давления насыщенного пара и абсолютных
уровней статических давлений в потоке до зоны кавитации и
после нее. Однако более глубокие исследования показали, что во
многих конкретных случаях возникновение и развитие кавитации,
а также последствия могут в сильной степени зависеть и от
других факторов: времени пребывания частиц жидкости в зоне
с пониженным давлением, температуры жидкости, ее плотности,
поверхностного натяжения, вязкости, количества рас творенного в
ней газа, ее термодинамических свойств, режима течения потока
(ламинарного или турбулентною) и т д
Кавитация возникает в той области проточной чши насоса,
где местное статическое давление снижается до некоторого кри-
тического давления ркр, при котором наступают нарушение
сплошности потока и изменение его структуры. При этом могут
иметь место различные формы кавитации как порознь, так и
одновременно, в зависимости от давления перед насосом рвх.
Возникновение кавитации в насосе при подаче Q —const и
частоте вращения п = const происходит в результате понижения
давления рвх. Первичная кавитация в виде локальных очагов не
меняет обшей структуры потока Появление очагов кавитации в
проточной части насоса еще не означает нармпения его нор-
мальной работы Более того, даже при длительной работе насоса
могут отсутствовать существенные кавитационные повреждения
стенок рабочих органов насоса, не говоря уже о каких-либо из-
менениях внешних его характеристик Такую кавитацию в насо-
се называют начальной. Она обычно обнаруживается либо ви-
зуальным (при прозрачных стенках насоса), либо акустическим
способом. Иногда ее можно обнаружить по весьма незначитель-
ному изменению амплитудно-частотных характеристик насоса.
Следующий этап развивающейся кавитации в насосе при по-
нижении рпх — возникновение первого критического режима, при
котором начинают изменяться внешние характеристики насоса:
снижаются его напор и мощность. Однако насос способен еще
подавать жидкость потребителю, хотя скорость кавитационной
эрозии в насосе может значительно возрасти.
При дальнейшем понижении давления растут размеры кави-
тационных зон, меняется их вид, а при некотором значении р
возникает так называемый второй критический режим, характе-
ризующийся началом резкого падения напора, мощности и КПД
насоса
Может быть реализован третий критический режим, характер-
ный тем, что насос работает при еще более низких давлениях
рвх, а напор его при этом по сравнению с нормальным снижается
в несколько раз. Возникновение этого режима связано с отры-
вом кавитационной каверны от рабочей лопасти насоса и рас-
пространением ее за пределы решетки профилей Часто такой
255
режим насоса называют суперкавитационным. Давления на вхо-
де в насос, при которых возникают перечисленные критические
режимы, соответственно обозначаются р вх нам. Рвх!» Рвх11» И РвхШ.
Условия возникновения кавитации в насосах Как указы-
валось выше, кавитация начинается тогда, когда в некоторой
области проточной части насоса статическое давление падает до
давления насыщенного пара
Для нормальной работы насоса необходимо, чтобы минималь-
ное значение давления на входе в рабочее колесо насоса р было
больше давления насыщенного пара перекачиваемой жидкости
р|(, т. е.
pinin Pi>’
Удельная энергия Е\ потока при входе в рабочее колесо на-
соса должна быть достаточной для создания скоростей и ускоре-
ний в потоке при входе в рабочее колесо и преодоления сопро-
тивления без падения местного давления до уровня, соответствую-
щего началу кавитации.
В связи с этим решающее значение приобретает превышение
удельной энергии над энергией, соответовующеи давлению насы-
щенного пара*
g 2g
Величина АЛ называется кавитационным запасом. Для каж-
дого насоса существует некоторое минимальное значение АЛ,
ниже которого насос начинает кавитировать Критическим
условием начала кавитации является условие
АЛпйл=АЛй, max,
т. е минимальное значение кавитационного запаса равно макси-
мально допустимому с точки зрения возникновения кавитации
значению динамического падения давления на входе в рабочее
колесо насоса.
Зависимость АЛ,П1П и APg.max от относительнот! скорости UZX
и окружной скорости их на входе в межлопастные каналы рабо-
чего колеса может быть представлена в виде
ль — \ь шах щСи\
^g.max 2 ' g
На основании опытных данных С. С. Руднев предложил уравне-
ние для определения
АЛе.тах = Ивх = 10 ( — — )
Сравнение значений коэффициента С, полученных для различ-
ных насосов, позволяет оценить антикавитационные качества
256
насосов, так как чем больше С, тем больше предельное всасыва-
ние насосов
Термодинамика кавитации. На холодной воде выполняется
приближенное подобие кавитационных процессов, т. е.
H/(nD$ = const при Q/n = const, (6.28)
где п — частота вращения насоса, Q — подача; D>— наружный
диаметр насосного колеса.
В режимах развитой кавитации определенному падению напо-
ра из-за кавитации соответствует некоторый объемный расход
пара через кавитационные зоны в рабочих каналах насоса.
С ростом давления или температуры свойства жидкостей меняются
так, что увеличивается количество тепла, затрачиваемого на
образование определенного объема пара. Поэтому указанному
объемному расходу горячей воды через кавитационные зоны
соответствует более глубокое падение давления ниже насыщения
перед кавитационными зонами и, следовательно, меньший по
сравнению с работой на холодной воде кавитационный запас АЛ
на входе в насос. Поэтому равенство (6.28) не выполняется при
изменении температуры перекачиваемой воды
Анализ характера течения позволил установить некоторые
особенности кавитационного потока при различных температурах
воды:
кавитационные зоны образуются в пристенных областях
потока,
с ростом температуры и давления потока структура кавита-
ционных зон изменяется так, что увеличивается плотность среды
и уменьшаются размеры кавитационных пузырей, причем наиболее
существенно изменение структуры потока происходит в диапа-
зоне температур 160—220° С;
в верхних сечениях канала жидкость может находиться
в метастабильном состоянии, протяженность этой области уве-
личивается с ростом скорости потока и уменьшается при увеличе-
нии температуры (начального давления) потока.
Анализ показал, что в некотором диапазоне параметров рост
кавитационных пузырей определяется не инерционными эффек-
тами, а процессом теплопередачи в растущий пузырь. Однако
если в объеме неподвижной воды скорость роста пузырей опре-
деляется теплопередачей через слой жидкости вокруг пузыря, то
в турбулентном потоке воды процесс роста пузыря, по-видимому,
определяется в основном турбулентным переносом тепла
По мере снижения температуры потока скорость роста пузы-
рей увеличивается. В результате возрастает роль инерционных
эффектов. Очевидно, что должна существовать область парамет-
ров, где рост пузырей определяется силами инерции окружающей
жидкости. Оценки показывают, что в потоке воды температурой
выше 100° С в области любых значений реальных скоростей воды
257
17-173
Рис. 6.20 Картина кавитационной ка-
верны
и перегревов жидкости относительно температуры насыщения
в результате падения давления при кавитации скорость роста
паровых пузырей определяется процессом теплопередачи
Проведенные исследования кавитационных явлений позволи-
ли выявить основные факторы, определяющие особенности кави-
тационных характеристик насосов в воде различной температуры
Для выяснения связи между теплофизическими параметрами,
определяющими процесс парообразования, и параметрами, кото-
рые определяют кавитационные характеристики насосов, была
рассмотрена модель кавитационной зоны в проточной части
насоса, работающего в режиме развитой пузырьковой кавитации
(рис 6.20). На этом рисунке условно показано изменение давле-
ния вдоль поверхности лопатки в рабочем канале насоса и изоб-
ражена кавитационная зона с некоторой средней для проточной
части насоса толщиной б. Расход через кавитационную зону
QK = Ci6nd, (6.29)
где nd — величина, пропорциональная скорости жидкости на
входе в зону; 6 — величина, пропорциональная площади попереч-
ного сечения; С|— коэффициент пропорциональности.
На входе в кавитационную зону жидкость становится перегре-
той относительно температуры насыщенных паров на темпера-
туру Д/ из-за падения давления перед зоной ниже давления
насыщения_на некоторую среднюю для проточной части насоса
величину АЛ, если АЛ выразить в метрах столба перекачиваемой
жидкости, т. е.
Ы = Мг (dt/dp) pg, (6.30)
где dt/dp — производная от температуры по давлению, взятая
вдоль кривой фазового превращения.
258
Перед кавитационной зоной должен быть некоторый участок
(рис. 6.20), на котором жидкость может находиться в метаста-
бильном состоянии и начинается замедленный рост кавитацион-
ных пузырей.
На участке 1ксп кавитационной зоны часть жидкости испаряет-
ся, температура потока снижается в результате затраты тепла
на испарение. В области рабочих каналов насоса, где давление
увеличивается, паровая фаза конденсируется (участок /к).
Без учета потерь на входе в рабочие каналы насоса_(которые
обычно относительно малы) связь между значением ЛА и кави-
тационным запасом АЛ выражается зависимостью
\h=i\h —ДА,
где АА?— динамическое падение давления на входе в рабочие
каналы насоса.
Изменение значения АЛ при работе на горячей воде и опре-
деляет зависимость кавитационной характеристики насоса от
температуры воды или теплофизических свойств перекачиваемой
жидкости.
Из теплового баланса и уравнения (6.30) был найден объем-
ный расход пара Vt, в кавитационной зоне в предположении,
что парообразование происходит равновесно, тепло на испарение
отбирается только из той части жидкости, которая проходит
через кавитационную зону:
у (631)
гр„ ар г р,
где АЛ — среднее изменение энтальпии жидкости в результате
образования фазы (в случае процесса испарения при постоянном
да вл ен и и ЛА = cp\t).
Используя уравнение Клапейрона-Клаузиуса, можно найти
|/I( = KQkAA ,
где К = Рср‘ Л cPgT.
Параметр К можно интерпретировать как отношение объема
пара к первоначальному объему жидкости, из которой этот пар
образовался при равновесном процессе испарения в результате
падения давления в жидкости на 1 м ее столба.
Следует отметить, что для характеристики «способности жид-
кости к кавитации» параметр В, подобный параметру К, предла-
гался А. И Степановым [ 1, Введение]. Связь между параметром К
и параметром В, предложенным для обобщения кавитационных
характеристик при различных теплофизических свойствах жид-
кости, выражается уравнением
B = K(bh*pQ- \А'р/),
259
где ДЛкро, А^кр/ — соответственно кавитационный запас на холод-
ной и горячей воде какого-либо насоса, зафиксированный при
падении его напора из-за кавитации на 3%.
Параметр В зависит только от теплофизических свойств
жидкости и характеризует как потенциальные возможности
образования объемного паросодержания при равновесном про-
цессе испарения, так и скорость роста паровых пузырей в реаль-
ном кавитационном процессе в горячей воде. Анализ кавитацион-
ных характеристик насосов при различной температуре воды
показал, что изменение параметров насоса в режимах развитой
кавитации зависит от нескольких факторов:
расходного паросодержания в кавитационных зонах, которое
определяется температурой (параметром К) жидкости и сте-
пенью термодинамической равновесности процесса, которая,
в свою очередь, зависит как от теплофизических свойств жид-
кости, так и от масштабных факторов;
от структуры течения в кавитационных зонах, которая зави-
сит от давления,
от соотношения размеров кавитационных зон и проходных
сечений в рабочих каналах, что определяется, коэффициентом
быстроходности ns насоса и масштабными факторами
Относительное изменение кавитационных характеристик
в кинематически подобных режимах, т е. при выполнении усло-
вия (6 29), оценивалось по изменению срывного кавитационного
запаса hcp с помощью кавитационною коэффициента, определяю-
щего подобие срывных кавитационных режимов при работе
насоса на холодной воде:
\11=лА,‘(?иг,1г',\ (6.32)
где п?1 — функция, учитывающая влияние соотношения межДу
размерами кавитационных зон и проходными сечениями рабочих
каналов; =(V„/;idJ) м2— параметр, который характеризует
расходное наросодержание в кавитационных зонах (nd31— вели-
чина, пропорциональная подаче насоса); Чг — параметр, учиты-
вающий влияние индивидуальных конструкционных особенностей
насоса; A4t, М2, М3 — показатели степени, зависящие от темпера-
туры и учитывающие интенсивность влияния указанных парамет-
ров на коэффициент.
Поскольку М3 = const, т. е. относительное влияние индиви-
дуальных геометрических особенностей насоса на его кавита-
ционную характеристику одинаково при разной температуре
воды, в отнормированном виде (по отношению к параметрам
на холодной воде) для кинематически подобных режимов при
выполнении условия (6.29) выражение (6.32) можно записать
в виде
ns).
260
Рис. 6.21. Зависимость коэффициента •/ от
температуры и п,:
I л, = 86; 2 — п,= НО; 3 - л,— 600
На основе полученных в опытах кавитационных характери-
стик для насосов ns = 600, ns= 140 и z?s = 80 получены зависи-
мости х (Z, п>) (рис. 6.21). Поскольку при критических параметрах
парообразования кавитация не происходит, было принято
х(/кр) = р
Из этих зависимостей видно, что у насосов с большим значе-
нием коэффициента быстроходности ns, имеющих более короткие
и широкие рабочие каналы, относительное изменение кавита-
ционных характеристик с ростом температуры меньше (значение
параметра х больше), чем у насосов с меньшим значением Было
оценено влияние на зависимости х(/, ns) частоты вращения
и размеров насосов, что свелось к оценке влияния масштабных
факторов на подобие кавитационных характеристик (особенно
на подобие значений срывных кавитационных запасов) при
работе как на горячей, так и на холодной воде
Показано, что возможное нарушение подобия кавитационных
характеристик зависит от значения \h/(nd 2.
_ Анализ показал, что при работе на холодной воде значение
&hn должно быть на несколько порядков меньше значения АЛ,
при работе на горячей воде.
В настоящее время не известны кавитационные характе-
ристики, полученные на подобных насосах (разных размеров),
работающих на воде температурой выше 100° С. Однако с дан-
ными, полученными зависимостями х(/, ns), неплохо согласуются
данные по изменению срывных кавитационных запасов некото-
рых насосов, полученные авторами. Отсюда можно предполо-
жить, что изменение размеров насосов существенно не влияет
на относительное изменение кавитационных характеристик в за-
висимости от температуры воды (во всяком случае, при темпе-
ратуре до 200° С).
261
Результаты анализа влияния масштабных факторов на полу-
ченные в опытах зависимости х (/, п?) позволили рекомендовать
их для оценки изменения кавитационных характеристик лопаст-
ных насосов в зависимости от температуры воды (теплофизи-
ческих свойств перекачиваемой жидкости) Для этого по графи-
кам, представленным на рис. 6.21, определяется значение х
в зависимости от температуры и коэффициента быстроходности
ns насоса. Значение кавитационного запаса на горячей воде
рекомендуется определять по формуле
А/ь - Л/io
(1-х)(А^р-ЛМ
(ДЛкро ЛЛсро)
где АЛср0— срывной кавитационный запас на холодной воде;
Л^крп — критический кавитационный запас на холодной воде.
При построении искомой кавитационной характеристики до-
пускается, что в соответственных точках характеристики при
работе на горячей и холодной воде значения напора // оди-
наковы
Поскольку параметр парообразования Л характеризует нс
только относительный уровень образующихся в жидкости паро-
вых объемов, но и динамику роста кавитационных пузырен,
можно принять, что кавитационные характеристики насоса при
работе на жидкостях с одинаковыми значениями параметра А
будут одинаковы. Тогда, используя зависимость (6.5), можно
определить температуру воды /, при которой кавитационные
характеристики насоса на используемой жидкости и воде будут
одинаковыми, и по указанной выше методике наити кавитацион-
ную характеристику при работе насоса на этой жидкости.
По характеристикам, полученным в результате пересчета,
определяется область допустимой кавитации, в которой возмож-
на в течение некоторого времени эксплуатация насоса
Экспериментальные методы обнаружения и исследования
кавитации Наиболее старый, но до сих пор самый распростра-
ненный метод — энергетический. Суть его состоит в следующем.
На специальном стенде или в рабочих условиях при работе
насоса на постоянной температуре и фиксированной подаче
жидкости проводят уменьшение давления на всасе. При этом
на каждой ступени давления всасывания рпс определяют основ
ные параметры насоса (Q, Н, п), затем рассчитывают
кавитационный запас в метрах столба перекачиваемой жид-
кости ДЛ и строят графики H=f(Ah и N = f(&h
За начало кавитации согласно [10] принимают значение, при
котором напор уменьшился на 2%. Для обеспечения нормальной
работы насоса рекомендуется увеличить минимальный кавита-
ционный запас в А раз, т. е. допустимый кавитационный запас
равен АЛб = /4ААкр.
Следует заметить, что определенное таким образом начало
262
кавитации является условным. На самом деле собственно кави-
тация начинается при значениях АЛ, существенно превышающих
ЛЛКр, однако чувствительность метода не позволяет этого опре-
делить. Более точно начало кавитации определяется по измене-
нию виброакустических характеристик (например, по общему
уровню вибраций) Обнаружено, что изменение акустических
характеристик происходит значительно раньше, чем энергети-
ческих, т. е. акустический метод дает более точную информацию
о начале кавитации.
Во многих случаях, особенно если насос работает при боль-
ших частотах вращения (с относительными скоростями потока
15 м/с-), возможен эрозионный износ материала проточной
части, который проявляется со временем и не может быть
обнаружен энергетическим или акустическим методом. Вместе
с тем определение возможных мест эрозии весьма желательно,
так как позволяет конструктору во многих случаях принять
меры для ее уменьшения. Зоны эрозии в настоящее время
определяют с помощью экспресс-методов Для этого обтекаемые
потоком поверхности покрывают легкоразрушающимися лако-
выми покрытиями на основе феноловых смол и проводят кратко-
временные испытания на заданном режиме. Если зоны эрозии
имеют место, то разрушается слой покрытия. Изменяя геометрию
обтекаемых поверхностей, можно добиться уменьшения зон
эрозии или их ликвидации (см. гл. 7)
Наконец, еше одним методом исследования кавитации являет-
ся метод визуализации, который использует стробоскопирование,
скоростные фото- и киносъемки и позволяет представить деталь-
ную картину возникновения и развития кавитационных явлений.
Все перечисленные методы взаимно дополняют друг друга
и широко используются в практической и исследовательской
работах.
Пути ослабления кавитации. Уменьшение вредных последст-
вий кавитации, в частности устранение изменений энергетических
характеристик насосов, может быть достигнуто с помощью
различных конструкционных мероприятий, некоторые из них при-
водятся ниже.
I Применение специальных рабочих колес, имеющих повы-
шенные кавитационные свойства за счет расширения входной
части колеса и лопаток двойной кривизны, вытянутых в сторону
всасывающей воронки. В этом случае колеса приобретают бочко-
образную форму с отношением площади сечения на входе
в лопасть к входу в колесо 2—2,5. Такие колеса могут иметь
С^2200, однако за счет неблагоприятной формы входного
участка в колесо КПД их значительно ниже КПД обычно при-
меняемых колес. В малых насосах, работающих с относительно
низкими скоростями потока (U/i < 15 м/с), такие колеса находят
широкое применение и обладают достаточно большим ресурсом.
263
Попытки применения таких колес в мощных ГЦН не дали
положительных результатов из-за быстрого эрозионного износа
и повышения вибрации
2. В последнее время наиболее широкое применение для
повышения кавитационных свойств насосов нашли так называе-
мые предвключенные шнековые или осевые насосы, позволяющие
повысить С до 3000 и даже более. Сами шнеки во многих
случаях работают в режимах развитой кавитации, однако
создают необходимый подпор для работы центробежной ступени.
Применение специальных профилей лопастей (так называемых
суперкавитирующих) позволяет во многих случаях практически
устранить кавитационный износ предвключенных колес. На АЭС
предвключенные колеса устанавливаются обычно в конденсатно-
питательных насосах. Так, на Ленинградской АЭС в питательных
и конденсатных насосах установлены шнековые колеса, практика
эксплуатации которых показала большую надежность и почти
полное отсутствие эрозии.
3. Наконец, эффективным способом устранения кавитации
является переход на пониженную частоту вращения колеса
насоса, который, как следует из формулы для определения
кавитационного запаса, позволяет существенно облегчить работу
насоса. В некоторых случаях приходится идти на многопоточную
схему насоса (рабочие колеса двухстороннего всасывания
и т. п.), что также позволяет снизить кавитационный запас
Глава 7
ИСПЫТАНИЯ НАСОСНОГО АГРЕГАТА
7.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ
7 1.1. ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ
Экспериментальная отработка ГЦН является одним из важ-
нейших этапов создания насосного агрегата. При этом решаются
следующие основные задачи:
определение технических характеристик агрегата;
отработка отдельных узлов насоса в сборе;
проверка работоспособности всех узлов,
изучение специфических свойств насоса
Основными узлами ГЦН, проходящими экспериментальную
проверку, являются проточная часть, подшипниковые опоры,
узлы уплотнения вала При отработке проточной части про-
водятся:
оптимизация ее геометрии в целях получения требуемой
гидравлической характеристики при возможно высоком КПД;
изучение кавитационных характеристик,
264
проверка гидродинамических сил и доведение их до желаемых
значений.
При отработке подшипниковых опор исследуются
несущая способность подшипников;
режимы смазки и охлаждения;
работоспособность в различных эксплуатационных условиях.
Отработка узлов уплотнения включает следующие этапы:
подбор материалов трущихся пар и геометрических размеров
уплотняющих элементов;
анализ температурного режима;
проверка работоспособности уплотнения.
Испытания насосного агрегата проводятся как во всех штат-
ных режимах, включая переходные (пуск, остановка, разогрев,
расхолаживание, стоянка в горячем резерве), так и при возмож-
ных аварийных ситуациях в системах, обслуживающих насос.
Поскольку безопасная работа ГЦН обеспечивается рядом ава-
рийных сигналов и блокировок, исследуется эффективность
предусмотренных сигналов.
7.1.2. ПРИНЦИПЫ УСКОРЕННОЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ
Одной из задач при создании ГЦН является выбор такого
плана экспериментальной отработки, который был бы минималь-
ным по срокам без ущерба для качества испытаний Наиболее
удачно эта задача решается при внедрении метода ускоренной
экспериментальной отработки, основная идея которого заклю-
чается в проведении предварительных испытаний ответственных
узлов ГЦН на специальных стендах с последующей проверкой
на натурном образце только тех вопросов, которые по техни-
ческим причинам нельзя довести на отдельных узлах. Поузловая
отработка позволяет вести испытания сразу на нескольких стен-
дах, что существенно сокращает сроки экспериментов. Наиболее
приспособлены к использованию этого метода конструкции водя-
ных ГЦН с контролируемыми протечками и насосов для жидких
металлов. Герметичные ГЦН по своим конструкционным особен-
ностям позволяют использовать поузловую отработку в гораздо
меньшей степени, так как почти невозможно технически обосно-
ванно выделить какие-либо элементы конструкции для раздель-
ных испытаний, за исключением проточной части и материала
для подшипников.
Для иллюстрации рассмотрим, как применялся этот метод
при создании циркуляционных насосов для реакторов РБМК,
устройство которых описано в гл. 5. В насосах для поузловой
отработки были выделены: проточная часть, нижний радиальный
ГСП, верхний подшипниковый блок и уплотнение вала.
Испытания проточной части проводились на холодной воде
на модельном насосе с коэффициентом моделирования 1 : 1,5.
265
Проведено исследование характеристик Q, Н, осевых и радиаль-
ных сил с доводкой конструкции в целях получения приемлемых
их величин и кавитационных характеристик Кроме того, на
неподвижных прозрачных моделях с коэффициентом моделирова-
ния 1 : 4,5 исследовались гидродинамические характеристики
направляющего аппарата и сборной гидравлической камеры для
оптимизации их геометрии и получения минимальных гидравли-
ческих потерь Эти эксперименты проводились как при продувках
на воздухе, так и при проливке на холодной воде.
Гидростатический подшипник (натурный образец) отраба-
тывался на стенде, устройство которого позволяло изменять
нагрузку на подшипник и вести испытания при различной
температуре воды вплоть до рабочей.
Натурный образец верхнего блока радиально-осевого под-
шипника испытывался па отдельном стенде, конструкция кото-
рого позволяла варьировать нагрузку и частоту вращения.
Характеристики уплотнения с плавающими кольцами иссле-
довались как на одной паре колец натурной величины (что
позволило оптимизировать геометрические размеры колец для
получения приемлемого значения гидродинамической силы), так
и на натурном образце в условиях, близких к штатным
Описанная методика характерна и для отработки конструкций
ГЦН дрхгих реакторов.
7.1.3 ОТРАБОТКА ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ
Модельные испытания. Методически и технически правильно
проведенная отработка проточной части на уменьшенных моде-
лях позволяет в существенно более короткие сроки и с мень-
шими затратами выбрать оптимальную геометрию рабочих opia-
пов и избежать сложной и доро! остояшеи доработки натурной
проточной части. При испытаниях осуществляется вначале про-
ливка модели проточной части, а затем испытание при вращении
Изготовленная из оргстекла прозрачная .модель проточной части
при проливке ее водой позволяет вести визуальное наблюдение
картины течения в подводящем и отводящем каналах насоса,
обнаруживать и устранять вихревые зоны, отыскивать оптималь-
ные формы и размеры подводящих и отводящих элементов
конструкции (направляющих аппаратов, спиральных отводов,
кольцевых сборников).
На рис. 7 1 изображена прозрачная модель проточной части
ГЦН реактора РБМК, на которой проводилась предварительная
гидравлическая проливка. На рис 7 2 и 7.3 представлены полу-
ченные картины течения в лопаточном выходном направляющем
аппарате и корпусе насоса во время испытания одного из
вариантов проточной части.
Доводка проточной части на моделях не исключает широкого
266
Рис. 7.1. Модель для проливки проточной части:
/ — заслонка: 2 — корпус; 3 — направляющий аппарат; 4 — решетка
применения аэродинамических испытаний моделей из неметалли-
ческих материалов Такие модели можно быстро изготавливать
методом склеивания из отдельных элементов без какой-либо
сложной оснастки. В качестве материала моделей используются
органическое стекло и пенопласт (для неподвижных деталей)
и спецпластмассы (для рабочих колес).
Аэродинамические испытания моделей позволяют отрабаты-
вать напорную характеристику насоса. На рис. 7.4 показана
модель для аэродинамических испытаний проточной части того
же ГЦН. График напорной характеристики, полученный при
испытании одной из моделей на воде и на воздухе (рис. 7.5),
подтверждает хорошее совпадение результатов. Коэффициент
моделирования, применяемый при аэродинамических испытаниях.
Рис. 7.2. Картина течения жидкости в
выходном направляющем аппарате
Рис 7.3. Картина течения жидкости
в корпусе насоса
267
Рис. 7.4 Модель насоса для аэродинамических испытаний:
/ — приводной электродвигатель; 2 — испытываемая модель; 3 — шибер для изменения
расхода; 4 — ртутные дифманометры
зависит от размеров отрабатываемой проточной части и возмож-
ностей испытательного стенда.
Для изготовления моделей рабочих колес при аэродинами-
ческих испытаниях широкое применение получила пластмасса
АСТ-Т, являющаяся компаундом холодного отверждения типа
порошок — жидкость.
В целях окончательного уточнения полученной при воздушных
продувках проточной части перед изготовлением ее в натурную
величину рекомендуется провести проверку характеристик на
Рис. 7 5. Результаты ис-
пытаний модели на возду-
хе и на воде:
/ — характеристика, полу-
ченная при аэродинамиче-
ских испытаниях 2—дан-
ные, полученные при испы-
таниях на воде
можно определить все
268
Рис 7 6. Схема стенда для модельных испытаний:
/, // /7 задвижки; 2 9 — сужающие устройства; 3—основная трасса 7 — модель
насоса, 5 — трасса слива протечек; 6, IU—вентили 7 трасса слива протечек через
уплотнение. 8 ротор; /2 — змеевик 13 — кавитационный бак
характеристики проточной части насоса, включая кавитационные.
Детально вопросы исследования кавитационных характеристик,
в том числе и на моделях, рассмотрены в [1]. Заметим только,
что при исследовании кавитационных характеристик на умень-
шенной модели из-за невозможности обеспечить одинаковые
объемные КПД модели и натуры пересчет результатов модель-
ных испытаний на натуру может оказаться недостаточно точным.
Если модель снабдить соответствующими дополнительными
устройствами, то можно определить также гидродинамические
осевые и радиальные силы, возникающие в проточной части
насоса Хотя в этом случае модель для испытании получается
несколько сложнее, следует признать создание такой модели
целесообразным, так как она позволяет заранее, до испытания
натурного ГЦН, отработать способы доведения этих сил до
приемлемых значений.
Отработка проточной части на модели насоса проводится
на специальном испытательном стенде, представляющем собой
замкнутую циркуляционную трассу, имеющую органы измерения
и регулирования расхода жидкости Для кавитационных испыта-
нии в трассу встраивается кавитационный бак. На рис. 7.6
изображена принципиальная схема такого стенда, использовав-
шегося для испытания модели насоса реактора РБМК. Он
состоит из основной трассы 3 с задвижками 1, 11, 14 и кавита-
ционного бака 13, трассы слива протечек .5 через разгрузочную
269
камеру с вентилем /О, трассы слива протечек / через уплотнение
с плавающими кольцами. Расход в трассах 3, 5 измеряется
сужающими устройствами 2, 9, а в трассе 7 — ротором 8. Для
поддержания температуры воды в стенде в допустимых пределах
кавитационный бак оборудован змеевиком 12, через который
циркулирует охлаждающая вода. Задвижки /, 14 служат для
регулирования расхода, а задвижка // регулирует подпор во
всасывающем трубопроводе ГЦН. При помощи вентиля 10
достигается изменение гидродинамической составляющей осевой
силы F испытываемой модели.
Описанный порядок отработки проточной части ГЦН на
моделях может использоваться для насосов, предназначенных
для перекачки не только воды, но и любой другой жидкости.
Исследование кавитационных характеристик имеет своей
целью определение избыточных подпоров на всасывании, со-
ответствующих различным стадиям развития кавитации. В про-
цессе этих исследований устанавливаются подпоры:
минимальный избыточный, при котором не проявляется ни-
каких признаков кавитации;
избыточный, при котором обнаруживается эрозионное воз-
действие жидкости (без изменения напора);
критический избыточный, при котором появляются устой-
чивые паровые пузыри, влияющие на характеристику насоса
(напор по сравнению с напором в бескавитационном режиме
уменьшается на 2%).
При снятии кавитационных характеристик на натурном ГЦН
необходимо, учитывая его конструкционные особенности, обес-
печивать такие условия проведения испытаний, чтобы при до-
стижении кавитационных режимов, приводящих к снижению на-
пора, не допустить аварии испытываемого ГЦН. Например, если
испытываемый насос имеет гидростатические подшипники, пи-
таемые водой с нагнетания его рабочею колеса, следует учиты-
вать гот факт, что при достижении развитой кавитации напор
может снизиться настолько, что ГСП при этом окажется уже
неработоспособным. Это усугубляется тем, что в режиме кави-
тации могут увеличиться радиальные гидродинамические силы,
что также создает еще более неблагоприятный режим работы
ГСП, который в ряде случаев можно исключить, если при кави-
тационных испытаниях организовать питание ГСП от посторон-
него источника
Для определения кавитационных характеристик в испыта-
тельном стенде, выполненном по замкнутой схеме (герметичный
стенд), изменяется давление в кавитационном баке путем от-
качки газа вакуумным насосом и на всасывании испытывае-
мого насоса достигаются давления, соответствующие различным
стадиям кавитационного процесса [2]. Характеристики на хо-
лодной воде с успехом можно определить на модельном насосе
270
Вход газа
Вход газа
Охлажденная вода.
¥
5
ts
е»
*
Пансиналь-
ный уровень
Рабочий,
.уровень
Пинамальный
-уровень
Рис. 7.7. Схема стенда для кавитационных испытаний:
/ — испытываемый натурный насос; 2 компенсатор давления, 3, 8 задвижки. I
кавитационный бак. 5— регулирующая заслонка. 6 — холодильник 7 разделительный
бачок
Пак сан аль -
ный уровень
7777777777
Мининаль -
ный уровень
с последующим пересчетом на натуру по известным формулам
подобия. При этом необходимо, чтобы модель насоса была по-
добна натуре по всем геометрическим размерам без исключения.
Следовательно, должны быть подобны и зазоры в лабиринт-
ном уплотнении на всасывании Только в этом случае пересчет
на натуру результатов, полученных на модели, дает достаточно
точные характеристики. Выполнение этого требования приводит
к определенным конструкционным и технологическим затрудне-
ниям при создании уменьшенных по сравнению с натурой моде-
лей, так как требуется повышенная точность изготовления для
предотвращения задевания рабочего колеса о лабиринтное
уплотнение Без выполнения этою требования полученные на мо-
дели результаты не будут достаточно представительными и по-
требуется проверка кавитационных характеристик на натурном
При испытаниях на холодной воде легко определяется избы-
точный подпор, при котором обнаруживается эрозионное воз-
действие жидкости [3]. Для этого на колесо наносится легко
разрушающееся лаковое покрытие. После каждого кратковре-
менного (примерно 30 мин) режима работы проводится осмотр
271
колеса Подбором профиля лопаток рабочего колеса можно
устранить наиболее наблагоприятные зоны, в которых прежде
всего начинается процесс кавитации. Проверка кавитационных
характеристик на натурных ГЦН может отличаться некоторыми
особенностями. Прежде всего, для насосов с достаточно боль-
шой подачей наличие бака со свободным уровнем значительно
усложняет испытательный стенд. Для водяных насосов создание
бака затруднено еще и тем, что он должен быть рассчитан на
высокое давление, чтобы можно было проводить кавитационные
испытания в эксплуатационном режиме по температуре Поэто-
му приходится отказываться от устройства в циркуляционной
трассе стенда бака со свободным уровнем Целесообразно в этом
случае устанавливать кавитационный бак на байпасе. Возмож-
ная схема такого стенда представлена на рис. 7.7.
При заполнении стенда кавитационный бак 4 заливается
полностью, а компенсатор давления 2— до некоторого мини-
мального уровня. При закрытой задвижке 3 насос включается
в работу и проводится разогрев стенда до нужной температуры
После выхода на заданный режим задвижка 3 открывается и
кавитационный бак соединяется по газу с компенсатором дав-
ления. Уровень воды в кавитационном баке понижается, и в нем
образуется газовая подушка. После этого компенсатор давле-
ния задвижками 3 и 8 отсекается от циркуляционной трассы
и кавитационного бака, вследствие чего роль компенсатора
давления начинает* выполнять кавитационный бак. За счет
циркуляции воды по байпасной линии через кавитационный бак
осуществляется ее дегазация Затем при поддержании посто-
янной температуры определяется «частная» кавитационная ха-
рактеристика Снижение давления на всасывании, необходимое
для определения «частной» кавитационной характеристики, мож-
но осуществлять двумя путями:
увеличением гидравлического сопротивления байпасной вет-
ки от кавитационного бака до всасывающего участка основной
петли прикрытием регулирующего вентиля 5;
сбросом газа из кавитационного бака через холодильник
6 и разделительный бачок 7.
При кавитационных испытаниях можно наблюдать явление,
когда при снижении давления на всасывании возникает кави-
тация и в некоторых местах основной трассы, что увеличивает
ее сопротивление В этом случае для поддержания постоянного
расхода необходимо открыть регулирующий орган в циркуляци-
онной трассе *. Для измерения кавитационных характеристик на
горячей воде целесообразно применять специальное устройство,
непосредственно измеряющее разность между давлением на вса-
* При неправильно сконструированном стенде в циркуляционной трассе кави
тация может возникнуть раньше чем в насосе и в такой степени, что не позволит снять
частную кавитационную характеристику при данной подаче
272
Рис 7 8. Схема устройства для иссле-
дования кавитации:
/ дифманометр; 2 4, 7—У, 11 — за-
слонки; 5 — воздушная трубка; 6 — бал-
лончик; 10 холодильник, 12—мерная
колба
Рис 7 9. Схема установки кавитацион-
ного баллончика:
/ мерная колба; 2. 3. 6 — вентили
4 — баллончик 5 — соединение со всасы
ванном; 7 — дифманометр
сывании и давлением насыщенных паров при температуре пере-
качиваемой воды [4]. Принципиальная схема такого устройства
приведена на рис. 7.8. Главным элементом устройства явля-
ется расположенный в потоке жидкости баллончик 6, заполнен-
ный до некоторого уровня перекачиваемой жидкостью. Во внут-
ренней полости баллончика благодаря частичному заполнению
устанавливается давление, равное давлению насыщенного пара
при температуре, которую имеет омывающая баллончик жид-
273
18-173
кость Дифференциальный манометр /, подключенный к баллон-
чику и ко всасыванию насоса, непосредственно измеряет пере-
пад между давлением па всасывании и давлением насыщения.
Следует иметь в виду, что давление в баллончике может быть
выше давления насыщения за счет парциального давления газа,
выделяющегося в свободный объем из жидкости (если она недо-
статочно деаэрирована).
Баллончик и импульсные трубки заполняются водой в мо-
мент заполнения стенда. При этом все вентили, исключая вен-
тиль //, открыты. Через вентиль 7 по трубке 5 выпускается
воздух из баллончика По окончании заполнения проводятся
продувка дифманометра и установка нулевого значения пере-
пада открытием уравнительного вентиля 2 После этого все
вентили, кроме 4, закрываются. При достижении температуры
воды в трубопроводе 130° С открываются вентили 9, // и из
баллончика сливается половина объема, что контролируется с
помощью мерной колбы 12 Для предотвращения парения дре-
нирование баллончика осуществляется через холодильник 10.
Перед началом дренирования закрывается вентиль 4 При изме-
рении перепада давлении открываются вентили 3, 8* Если
баллончик размещается в тупиковом отводе от корпуса насоса,
то для поддержания в нем температуры, равной температуре
в основной трассе стенда, через отвод необходимо организо-
вать некоторый постоянный приток жидкости В схеме, показан-
ной на рис. 7 9, это осуществлено с помощью трубки 5 Изме-
ренный таким устройством избыточный подпор на всасывании
подсчитывается по формуле
Mi=\pV + C%/2g-7., (7.1)
где Др — показания дифманометра; I —удельный обьем жид-
кости, Сер — средняя скорое ь потока в месте отбора давления
на всасывании; Z — разность отметок входа в колесо и свобод-
ного уровня в баллончике, g — ускорение свободного падения.
Так как полностью удалить растворенный газ из циркули-
рующей жидкости не удается, то дифманометр показывает пе-
репад
Др=рвс— (Ps+Pr), (7.2)
где рве — давление на всасывании; ps — парциальное давление
насыщенных паров в баллончике, рг — давление газа.
Следовательно, пренебрежение парциальным давлением газа
приведет к завышению требуемою избыточного подпора. Парци-
альное давление газа можно определить, зная газосодержание
* В широком диапазоне температур с пелыо увеличения точности измерений
устройство может иметь несколько дифманометров на различный предел измеряемого
перепада подключенных через два коннектора.
274
и температуру жидкости Например, при кавитационных испы-
таниях насоса реактора РБМК парциальное давление газа со-
ставляло при температурах 200—2/5° С около 0,108 МПа.
7.1.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ НА ОПОРЫ НАСОСА
Высокие требования к ресурсу ГЦН, который в значительном
мере зависит от работоспособности опор насоса, а также недо-
статочная точность теоретического расчета делают обязатель-
ным при проведении модельных испытаний предварительное
экспериментальное определение нагрузок, действующих на опо-
ры В процессе этих испытаний в конструкцию ГЦН при необ-
ходимости вносят изменения с целью получить допустимое зна-
чение нагрузок Нагрузки на опоры в основном зависят от кон-
струкции ГЦН, режимов работы и расположения ГЦН в кон-
туре У вертикального ГЦН с механическим уплотнением вала
радиальные нагрузки на опоры складываются из следующих
основных составляющих:
гидродинамических сил, действующих на рабочее колесо;
гидродинамических сил, возникающих вследствие эксцентри-
ситета в лабиринтах и других аналогичных местах с малыми за-
зорами;
статической и динамической неуравновешенности вращаю-
щихся масс При горизонтальном расположении ГЦН к этим
составляющим добавляется масса вращающихся частей
В герметичных ГЦН радиальные нагрузки возникают также
вследствие имеющейся силы одностороннего магнитного притя-
жения, появляющейся из-за эксцентричного расположения ро-
тора электродвигателя в расточке статора По этой же причине
возникает гидродинамическая сила Обе эти силы действуют
в сторону малого зазора
В герметичных ГЦН вследствие особенностей их конструк-
ции осевая сила не зависит от давления на всасывании. В то
же время на ее величину влияет давление в различных поло-
стях насоса Достаточно просто осевые усилия можно опреде-
лить в герметичном ГЦН путем прямого взвешивания при испы-
тании на холодной воде (рис 7.10). Измерения проводят путем
постепенного навешивания грузов на штангу 5 Под действием
груза ротор начинает перемещаться, что фиксируется стрелкой
индикатора 6. При подсчете осевой силы следует сделать по-
правку на силу трения в сальнике 8 и силу, вызванную разно-
стью давлений под крышкой насоса и окружающей средой, кото-
рая измеряется манометром 1 Описанное приспособление можно
применять для измерения сил до 5 кН при давлении 1 МПа
и наличии в осевом подшипнике люфта. Использование такого
приспособления для определения осевого усилия при штатных
параметрах невозможно, так как высокое давление на этих ре-
275
Рис 7 10. Приспособление для измерения осевой силы в герметичных ГЦН
I — манометр, 2 стойка; J шпилька, 4 — рычаг; 5 штанга 6 — индикатор 7 —
корпус подшипника; 8— сальник, 9— наконечник
жимах потребует такой затяжки сальника, что сила трения в
нем превзойдет измеряемое осевое усилие. Наиболее универ-
сальным является способ определения усилия с помощью изме-
рения напряжений в некоторых упругих звеньях, специально
создаваемых в опорах или других частях насоса. Напряжения
в этих упругих звеньях измеряют тензодатчиками Предвари-
тельно проводится тарировка упругих звеньев, при которой
определяют зависимость между напряжением и усилием. Усилие
при тарировке создается специальным приспособлением. На
рис. 7.11 изображена конструкция модели насоса реактора
РБМК, на которой кроме гидравлических характеристик можно
определить гидродинамические осевые и радиальные силы, воз-
никающие при работе ГЦН, для чего опоры вывешены на упру-
гих элементах / и 2. По деформации этих элементов, которые
измеряются мостовой тензометрической схемой, судят о силах,
действующих на опоры. При наличии в ГЦН гидростатических
подшипников действующие силы на опорах можно определить,
измеряя давление в рабочих камерах подшипников. Этим же
методом можно определить и осевую силу, измеряя давление
смазывающей жидкости под колодками упорной пяты
276
Рис 7 11 Модель насоса РБМК
/ 2 — упругие элементы
Особое значение имеет разгрузка от осевой силы в герме-
тичных ГЦН. Особенности конструкции их не позволяют иметь
развитые размеры диска пяты, а применяемые материалы для
подшипников, функционирующих в воде, могут работать при
сравнительно низких удельных нагрузках. Поэтому в герметич-
ных ГЦН осевые усилия целесообразно определять не только на
опытном, ио и на каждом серийном образце, так как из-за раз-
личного сочетания допусков на изготовление деталей и разбро-
са в гидравлических характеристиках осевая сила может за-
метно изменяться.
Конструкция герметичного ГЦН должна предусматривать
регулировку осевой силы за счет воздействия на распределение
давления в заколесной области или в полости электродвигателя.
277
Если регулировка осевой силы достигается сравнительно про-
сто, то этого нельзя сказать о способе регулировки радиальных
сил. Как правило, для этого требуется более или менее сущест-
венное изменение конструкции ГЦН. Радиальные силы при испы-
таниях серийных ГЦН обычно не измеряют.
7.1 5 ОТРАБОТКА ПОДШИПНИКОВЫХ ОПОР
Испытания материалов пар трения гидродинамических под-
шипников— важнейший этап создания ГЦН. Как уже отмеча-
лось, можно выделить две группы гидродинамических подшип-
ников: подшипники, смазываемые минеральными маслами, и под-
шипники, смазываемые водой. Для пар трения первой группы
подшипников применяются хорошо исследованные материалы,
используемые в общем машиностроении. Проводить какие-либо
дополнительные испытания материалов трущихся пар таких под-
шипников, как правило, нет необходимости. Подшипники второй
группы применяются, в первую очередь, в герметичных бессаль-
никовых ГЦН. Из-за сложного комплекса требовании и тяжелых
условий работы подшипниковых узлов в герметичных ГЦН не-
обходимы предварительные экспериментальные исследования
специально создаваемых или подбираемых из имеющихся мате-
риалов пар трения. Методика этих экспериментальных иссле-
дований изложена в [5]. Она предусматривает следующие
испытания:
физико-механические лабораторные материалов;
материалов па трение и износ на лабораторных установках
(на образцах),
стендовые узлов трения;
натурные, которые и лежат в основе комплексной отработки
пар трения для гидродинамических подшипников герметичных
ГЦН (6|.
Па первом этапе испытаний изучается коррозионная стой-
кость металлических материалов в заданных условиях и прово-
дятся теплостатические испытания неметаллических материалов
Коррозионная стойкость материалов исследуется на образцах.
При проведении автоклавных испытаний необходимо иметь в
виду, что коррозионная стойкость ряда металлов и сплавов зави-
сит от характера их напряженного состояния. Поэтому в неко-
торых случаях в помещаемых в автоклав образцах с помощью
специальных приспособлений следует создать напряженное со-
стояние, соответствующее эксплуатационным условиям. Наи-
более точно эксплуатационные условия можно воспроизвести
на автоклавных установках, оборудованных системой прокачки
воды.
Кроме испытаний в погруженном состоянии проводятся
испытания по определению стойкости материалов пары трения
278
к щелевой коррозии, возможной при длительной стоянке I ЦН
из-за малого зазора в подшипниках. Испытания на щелевую
коррозию проводятся в специальном приспособлении при атмо-
сферном давлении и температуре 70—80° С, что соответствует
наиболее неблагоприятным условиям
При теплостатических испытаниях неметаллических матери-
алов, которые проводятся в таких же автоклавах, что и кор-
розионные испытания, исследуется влияние длительного воздей-
ствия рабочих условий (температура, давление) на структуру и
физико-механические свойства. Изучается изменение во времени
твердости, размеров, прочности на сжатие, конструкционной
прочности. Кроме того, па всех образцах определяется изменение
массы и линейных размеров, химического состава поверхностного
слоя, а также оцениваются видимые поверхностные структур-
ные изменения.
Основным критерием оценки результатов коррозионных и
теплостатических испытаний является сравнение с данными
аналогичных испытаний материалов, работоспособность которых
в требуемых условиях подтверждена длительной эксплуатацией
ранее созданных ГЦН.
Материалы, отобранные на первом этапе, проходят испы-
тания на трение и износ па лабораторных установках (второй
этап). При этом определяются коэффициент трения и скорость
износа в зависимости от нагрузки и температуры Эти испы-
тания проводятся на плоских образцах в специальных машинах
трения, позволяющих создать необходимые условия по темпе-
ратуре смазывающей воды.
На третьем этапе испытаний исследуется на специальных
стендах работоспособность выбранных материалов пары трения
при рабочих условиях в конкретной конструкции подшипнико-
вого узла. Следовательно, правильнее будет рассматривать этот
этап не как проверку материалов трущейся пары, а как отра-
ботку конструкции гидродинамического подшипника.
Четвертый этан — испытание подшипников в составе натур-
ного I ЦН (при ею стендовых испытаниях) —является завер-
шающей проверкой и подшипниковых материалов, и конструк-
ции подшипников в целом.
Особо следует рассмотреть вопрос проверки влияния режи-
мов дезактивации на работоспособность выбранных материалов
пары трения. Процесс дезактивации заключается в воздействии
на поверхность оборудования растворов определенных химиче-
ских веществ, растворяющих ие только насосные загрязнения,
но и снимающих некоторый поверхностный слой металличе-
ских деталей, имеющий наведенную активность [7]. Если дез-
активирующий раствор будет контактировать с материалами
подшипников, то не исключена возможность ухудшения работо-
способности подшипников из-за изменения физико-химических
279
свойств и структурного состояния поверхностного слоя. Поэтому
стойкость материалов пары трения к действию дезактивирую-
щих растворов должна проверяться в достаточно длительных
ресурсных испытаниях после проведения дезактивации ГЦН
по принятой технологии. Эти испытания могут быть выполнены
на стенде, сооруженном для обкатки опытного образца насоса
при спецификационных режимах и дооборудованном системами
приготовления, введения и слива дезактивирующих растворов.
Отработка конструкции гидродинамического подшипника
герметичного ГЦН заключается в проверке работоспособности
выбранных материалов пары трения в конкретной конструкции
подшипника при реальных режимах по температуре, давлению,
подаче смазывающей воды, нагрузкам и частоте вращения
Необходимо, чтобы испытательный стенд для отработки кон-
струкции подшипников имитировал условия их размещения и
крепления в натурной конструкции ГЦН, а также позволял
исследовать влияние на работоспособность подшипников нссо-
осности и перекосов, вызываемых неточностью изготовления
узлов и деталей насоса. На рис. 7 12 представлена схема испы-
тательного стенда для отработки радиального и осевого под-
шипников герметичного ГЦН с вертикальным расположением
вала, отвечающая указанным требованиям. В герметичный на-
сос вместо штатного нижнего радиального подшипника ставится
испытываемый радиальный подшипник /, а на конец вала ротора
вместо рабочего колеса крепится вращающаяся часть испыты-
ваемого осевого подшипника 3 Невращающаяся часть осевого
подшипника крепится на конце качающегося рычага 5, через
который с помощью груза можно создавать требуемое усилие
Рис 7.12. Стенд для испытаний подшипников при температ\ре до 300° С
/ 3—радиальный и осевой подшипники соответственно, 2 — ротор насоса и электро-
двигателя 4 — автоклав; 5 — рычаг
280
на осевом подшипнике. Насос с испытываемыми подшипниками
соединяется с автоклавом 4, образуя единую герметичную по-
лость. Автоклав снабжен электронагревателем. С помощью
стендового насоса создается циркуляция через испытываемые
подшипники заданного количества воды определенной темпера-
туры. При сборке насоса за счет прокладок можно создать не-
обходимые перекосы в испытываемых подшипниковых узлах.
В конструкции стенда следует предусмотреть меры, позво-
ляющие существенно уменьшить поперечные силы от односторон-
него Mai нитного притяжения и неравномерного распределения
давления на ротор двигателя. Для этого нужно увеличить зазор
между ротором и статором в двигателе и, по возможности,
уменьшить те допустимые погрешности размеров деталей стенда,
которые приводят к образованию эксцентриситета.
Описанный метод позволяет создавать на испытываемом ра-
диальном подшипнике не только статические, но и динамиче-
ские нагрузки от дисбаланса. Для этого на консольном конце
ротора можно закрепить дополнительный груз в виде плоского
диска с определенным смещением ею центра массы При необ-
ходимости стенд можно расположить с некоторым углом на-
клона оси ротора или же создать аналогичный стенд с горизон-
тальным расположением ротора.
Отработка гидродинамических подшипников ГЦ Н с меха-
ническим уплотнением вала Одной из распространенных схем
современных ГЦН с контролируемыми протечками является
схема с верхним вынесенным гидродинамическим радиально-
осевым подшипником и принудительной смазкой Такой же под-
шипниковый блок имеется и у циркуляционных насосов реак-
торов с жидкометаллическим теплоносителем. Высокие требо-
вания по долговечности и надежности, предъявляемые к цирку-
ляционным насосам АЭС, требуют тщательной отработки режима
смазки и проверки работоспособности подшипников. Эту отра-
ботку можно проводить на стенде, конструкция которого приве-
дена на рис. 7 13. В вертикально расположенном корпусе 5
размещены опоры вращающегося вала. Верхняя опора 8 явля-
ется испытываемым блоком радиально-осевого подшипника.
Нижняя опора — технологическая. На нижнем конце вала за-
креплено нагрузочное устройство, с помощью которого созда-
ются необходимые нагрузки на осевой подшипник.
Нагрузочное устройство, позволяющее имитировать осевые
усилия до 700 кН, состоит из вращающегося диска /, на кото-
рый через неподвижные колодки 2 передается осевое усилие от
гидроцилипдров, поршни 4 которых давят на невращающийся
диск 3. Радиальное усилие создается с помощью пневмоцилинд-
ра, поршень 7 которого давит на невращающуюся обойму на-
детого на вал роликоподшипника 6 В качестве приводного дви-
гателя 10, соединенного с валом через упругую муфту, целе-
281
Рис. 7 13 Стенд для отработки верхнего радиальноллевого подшипника ГЦН
1— вращающийся диск; 2 неподвижная колодка; 3— диск; 4, 7 поршни; 5 кор-
пус; 6 — роликоподшипник; 5 испытываемый радиально-осевой подшипник; 9 напор-
ный бачок. 10 — электродвигатель; 11 сливной бачок: 12 — циркуляционный маслобак;
13. 17 маслонасосы; 14. 16 — фильтры. 15 — холодильник
сообразно использовать электродвигатель постоянного тока, по-
зволяющий наиболее просто изменять частоту вращения.
Стенд оборудован циркуляционной системой смазки, обеспе-
чивающей возможность подачи в испытываемые подшипники
масла при определенном давлении, температуре и в требуемом
количестве Параметры подаваемого масла и количество его
можно варьировать. Создаваемое осевое усилие определяется
по значению давления в пневмоцилипдре В процессе испыта-
ния измеряются распределение давления масла в гидродинами-
ческом масляном клине (по всем колодкам осевого подшипника
и в радиальном подшипнике), температура масла и поверхпо-
2X2
стного слоя металла в подшипниках, расход масла и сто тем-
пература на входе и выходе из подшипников Периодически
проводится осмотр состояния трущихся поверхностей подшип-
ников Экспериментальная доводка подшипников осуществля-
ется на натурных образцах
Для отработки подшипников на отдельном стенде необхо-
димо знать усилия на опорах, которые будут иметь место в ре-
альных условиях работы ГЦН. При этом нс только проверяют
способность его нормально работать при заданных нагрузках
и скоростях, но и определяют максимально допустимую нагруз-
ку на подшипник (т. е. коэффициент запаса по отношению
к действующей нагрузке), чего при испытании непосредствен-
но в ГЦН сделать, как правило, невозможно На отдельном
стенде хдобно проводить работы по оптимизации конструкции
подшипника, добиваясь получения максимального значения до-
пустимой нагрузки в заданных габаритах
На заключительном этапе испытаний полезно проверить
влияние давления масла в камере на характеристики подшип-
ника (для исключения явления вспенивания), а также враще-
ние вала в обратную сторону, даже если подшипник неревер-
сивный Только после всего перечисленного объема испытаний
можно дать заключение о пригодности подшипника для уста-
новки в насос
Отработка конструкции гидростатических подшипников.
В процессе экспериментальных исследований ГСП при необ-
ходимости проверяется влияние на их характеристики опреде-
ляющих размеров (например, диаметров дросселей), а также
возможных геометрических погрешностей изготовления и мон-
тажа На характеристики радиальных I СП оказывают влияние
отклонения от заданной формы рабочих поверхностей вала и
подшипника (конусность и эллиптичность), а также взаимный
перекос осей подшипников и вала.
На характеристики осевых ГСП влияют неплоскостпость и
непараллельное™ рабочих поверхностей пяты и подпятника.
Стенд для отработки ГСП должен иметь нагрузочное приспо-
собление, с помощью которого на исследуемом подшипнике
можно создавать необходимую нагрузку. Следует предусмот-
реть возможность изменения направления действия нагрузки
на подшипник, чтобы выявить анизотропность нагрузочных ха-
рактеристик подшипника, т. е. зависимость их от направления
действия нагрузок. Отработку можно проводить на холодной
воде. На рис. 7.14 показано испытательное устройство для экс-
периментальных исследовании радиального ГСП Оно представ-
ляет собой вал 3, вращающийся на двух опорах качения 4 и
10 На вал насажена втулка 2 ГСП Корпус 7 ГСП с коллек-
тором нагнетания и двумя крышками, образующими полости
слива, может перемещаться в вертикальной плоскости как па-
283
Рис 7.14- Испытательный стенд для радиального ГСП:
-------- водяной контур; ----•---- масляный контур; /—устройство для пере-
мещения корпуса; 2—втулка ГСП; J вал 4. 10 — подшипники качения; 5, 8 торцо-
вые уплотнения; 6,9 — индикаторы; 7 — корпус. II. 17 фильтры; 12, 16 холодиль-
ники; 13 мерный бачок. 14 — сливной бак 15. 18 - насосы; 19 — циркуляционный
маслобак
раллельпо оси вала, так и с перекосом и опирается по концам
па два устройства / для перемещения корпуса и измерения на-
грузки. Вал испытательного устройства приводится во вращение
электродвигателем постоянного тока. Герметизация камер под-
шипников качения от сливных камер ГСП осуществляется с
помощью торцовых уплотнений 5 и 8. Испытательное устрой-
ство снабжено приспособлениями бокового центрирования кор-
пуса (в горизонтальной плоскости) с индикаторами. В конструк-
ции испытательного устройства предусмотрена возможность
измерения давлений в нагнетательном коллекторе, сливных ка-
мерах и в рабочих камерах ГСП, а также установлены индика-
торы для измерения перемещения корпуса ГСП относительно
постамента (при испытаниях с вращением вала) и относительно
вала (при испытаниях с неподвижным валом).
284
Стенд позволяет проводить следующие испытания
исследование характеристик ГСП, имеющих различные конструкции и
размеры нала от 200 до 500 мм при неврашлющемся вале и параллельном
смещении втулки ГСП,
исследование характеристики ГСП при невращающсмся вале и при пере-
косах втулки ГСП;
исследование характеристики при вращающемся вале (с частотой от 0 до
1500 об/мин) как при параллельном смещении втулки ГСП, так и при сме-
щении с перекосом
Испытательное устройство обеспечивается питанием ГСП
водой от специальной системы. Для измерения расходов воды на
подводе в ГСП и из камер слива в трубопроводах установлены
сужающие устройства (в связи с изменением расходов воды в
широких пределах предусмотрена параллельная установка не-
скольких сужающих устройств разного диаметра). Система пи-
тания ГСП водой выполнена замкнутой, циркуляция осущест-
вляется специальным насосом 15 (рис. 7.14). Для поддержания
необходимой температуры воды в замкнутом контуре установлен
холодильник 12. Система смазки подшипников вала также
замкнутая, со своим насосом 18 и холодильником 16 Все тру-
бопроводы к испытательному устройству подключаются с по-
мощью гибких дюритовых шлангов.
Для обеспечения большей точности давление воды во всех
точках на ГСП измеряется образцовыми манометрами, перепад
давления на сужающих устройствах — ртутными дифманометра-
ми, нагрузка на подшипниках динамометрами с погрешно-
стью ±0,5% измеряемого усилия.'
Необходимо подчеркнуть, что достоверность и точность опре-
деления нагрузочных характеристик ГСП зависят от точности
измерения эксцентриситета в ГСП. При принятом методе изме-
рения эксцентриситета при вращении вала с помощью индика-
торов, закрепленных на постаменте, на величину измеряемого
эксцентриситета оказывает влияние деформация испытательного
устройства от действующих нагрузок. Поэтому необходимо при
проектировании устройства принять меры по увеличению его
жесткости, а перед началом испытаний экспериментально уста-
новить погрешность в определении эксцентриситета, вносимую
деформацией испытательного устройства. Это можно сделать,
сравнивая величины перемещения корпуса, измеряемые по инди-
каторам, закрепленным на постаменте и непосредственно на
корпусе.
Программа экспериментальной отработки ГСП зависит от
типа испытываемого ГСП и новизны его конструкции Если в
насосе применен ГСП с хорошо изученными характеристиками
(с учетом влияния на них погрешностей изготовления и мон-
тажа), то достаточно провести испытания в подтверждение про-
ектных характеристик. Если же в насосе применен какой-либо
285
новый тип ГСП, по которому не проводилось достаточно полных
исследований, то следует проводить их по расширенной про-
грамме в целях выявления всех особенностей этою ГСП и олги
мизации его характеристик
Получив для испытываемого ГСП данные по распределению
давления в рабочих камерах в зависимости от действующей
нагрузки, можно впоследствии (при испытаниях насоса) путем
измерения давлений в камерах ГСП экспериментально опре-
делить фактические усилия на опорах Это позволит выявить
возможное несоответствие фактических и расчетных усилий и,
при необходимости, внести изменения в конструкцию ГЦН.
Особенно важно проверить работоспособность ГСП в режимах
пуска и на выбеге (при остановке ГЦН) Как правило, необ-
ходимый для работы ГСП перепад давления создается основ-
ным рабочим колесом ГЦН. Поэтому в период пуска и останов-
ки насоса ГСП имеет переменную грузоподъемность (от нуля
при стоящем ГЦН до максимума при достижении номиналь
ной частоты вращения). В ю же время величина реакций на
опорах определяется как силами, не зависящими от частоты
вращения ГЦН (например, составляющие массы ротора), так
и силами, зависящими от нее (например, гидродинамические
силы, силы от дисбаланса ротора и др ) Вследствие этого в
период пуска или остановки имеют место моменты, когда ГСП
работают нс во взвешенном состоянии, а как обычные подшип-
ники скольжения На продолжительность этих периодов влияют
характеристики разгона и выбею (зависимость частоты враще-
ния ротора от времени), с одной стороны, и характер изменения
реакций на опорах в период разгона и выбега, с другой Эти
обстоятельства приводят к необходимости проверки работоспо-
собности ГСП в режимах пуска и остановки только в составе
натурного образца ГЦН путем проведения определенного числа
пусков и остановок с последующей разборкой ГЦН и проверкой
износа I СП.
7 1.6 ОТРАБОТКА УПЛОТНЕНИЯ ВАЛА
Отработка уплотнения с плавающими кольцами. Перепад
давления, срабатываемый в уплотнении циркуляционных насо-
сов, составляет 8-16 МПа Такой перепад давления застав-
ляет предусматривать несколько ступеней уплотнения Обычно
перепад, срабатываемый на одной ступени, выбирается компро-
миссно исходя из допустимой протечки и допустимой длины
вала под уплотнением Поскольку от перепада давления, сраба-
тываемого на одной ступени, зависят центрирующие силы и силы
трения кольца о неподвижный упор, перепад давления на одной
ступени рекомендуется принимать равным 1 —1,5 Л\Па
Для исследования работоспособности и получения рабочих
характеристик плавающих колец целесообразно иметь два стен-
286
да. Один для испытания единичного кольца, другой — для
испытания натурного блока уплотнения
В совокупности на стендах необходимо определить следующие характе-
ристики
работоспособность плавающих колец с различными диаметральными и
торцовыми зазорами при разных перепадах давления.
протечки по радиальным зазорам при различных перепадах давления в
зависимости от ширины этого зазора;
протечки по торцовым зазорам при различных перепадах давления в зави-
симости от ширины этого зазора;
влияние некоторых геометрических размеров уплотняющих поясков на ра
ботоспо1 обнос.гь уплотнения,
влияние методов фиксирования плавающего кольца от проворачивания
на его работоспособность
работоспособность пакета колец при рабочем давлении запирающей жид-
кости
Стенд для испытания единичного кольца (рис. 7 15) пред-
ставляет собой сборку, в которой имитируется натурный диаметр
вала насоса под уплотнением Вал приводится во вращение
электродвигателем, расположенным под сборкой для удобства
установки испытываемых колец. Кольца 6 имеют четыре ин-
дуктивных датчика 7, которые отслеживают радиальные пере-
мещения кольца по двум координатам Конструкция позволяет
также менять зазор между испытываемым кольцом 6 и диском
8 вала 4, создавать за счет различного крепления диска на валу
необходимый эксцентриситет и проверять работу кольца при
различной величине биения вала. В частности, для уплотнения
насосов реактора РБМК торцовые зазоры изменялись в преде-
лах 0,025—0,1 мм, диаметральные— в пределах 0,15—0,27 мм, а
биение вала — в пределах 0,05—1 мм.
Размер радиального зазора влияет па величину протечки
через уплотнение, поэтому для определения радиального зазора
берутся усредненные значения диаметров вала и кольца с по-
правкой па разницу температурных коэффициентов объемного
расширения материалов кольца и вала
На первом этапе (вал не вращается) экспериментально про-
веряется величина протечек при минимальном перепаде давле-
ния на кольце, расчетной высоте уплотнительных колец и нуле-
вом эксцентриситете кольца относительно вата и рассчитывает-
ся по общепринятой методике |8|. Возможное расхождение ре-
зультатов расчета и эксперимента объясняется главным образом
геометрическими искажениями уплотнительной щели На измене-
ние зазора между кольцом и валом при наличии давления в
стенде в значительной степени влияет деформация деталей уплот-
нения и корпуса стенда, поэтому при проектировании стендов
для исследования уплотнении с такими габаритами особое вни-
мание должно быть обращено на сведение к минимуму дефор-
287
Рис. 7.15 Испытательное устройство и стенд для исследования единичного кольца
уплотнения плавающими кольцами
1 — вспомогательный водяной насос; 2- испытательное устройство; 3 фильтр. 4
вал; 5 диафрагма; 6 — испытываемое кольцо. 7- индуктивный датчик. Л — диск,
9, 10 слив протечек, // — расходомер; 12— бак слива протечек, 13— сливная
емкость
маций, вызываемых перепадом давления и изменением темпе-
ратурного режима.
При проектировании необходимо знать силу трения между
торцами плавающего кольца и диафрагмы и гидравлическую
подъемную силу плавающего кольца. Однако провести такие
измерения не всегда представляется возможным. Можно для
различных перепадов давления на уплотнении и различных
положений кольца относительно вала —1) при отсут-
ствии вращения измерить суммарную силу сопротивления R
передвижению плавающего кольца:
R=T±l\ (7.3)
где Т— сила трения; Г — подъемная сила.
288
В крайних положениях, когда кольцо упирается в вал, учи-
тывается реакция вала. Если жесткость вала на изгиб много
больше жесткостной пленки между кольцом и валом, то должно
наблюдаться резкое возрастание измеряемого усилия, что по-
зволяет у ^тановить момент касания кольца о вал. При таком
положении кольца и вала (г=1) подъемная сила кольца имеет
максимальное значение.
I мах = I (t-^ |). (7.4)
При соосном положении кольца и вала (е=0)
Г(е=о) —0; Rlf=G=T. (7.5)
Выражения (7 4) и (7.5) составлены исходя из предположения
об идеальной геометрии рабочих поверхностей и отсутствии пере-
коса. Величины Г и Гмах можно определить несколькими мето-
дами.
Первый метод предусматривает построение но эксперимен-
тальным данным [зависимости R = [(x), где х—перемещение
кольца по линии центров, измеряемое от одного из крайних поло-
жений кольца]. Если бы вал не имел прогиба и перемещения в
подшипниках, то связь между величинами х и е могла бы выра-
жаться формулой
е=(А-6)/6, (7.6)
где 6 — радиальный зазор.
По графику в соответствии с (7.5) при х = б = Де//2, где
\d— диаметральный зазор (т. е. при е = 0), определяется сила
трения, а затем по (7.3) и (7.4) — максимальная подъемная
сила кольца.
Второй метол применим только в тех случаях, когда ГМах>“ Т.
При этом при освобождении кольца в крайнем положении
(е=1) оно отходит от вала на некоторое расстояние /3 = 6Х
X (1—Е«), где Efe — относительный эксцентриситет поспе оконча-
ния движения кольца. В дальнейшем для краткости процесс пере-
мещения кольца от вала под действием подъемной силы будем
называть «всплытием», а В — «величиной» всплытия.
При медленном освобождении кольца можно исключить влия-
ние силы инерции на характер его перемещения в процессе
всплытия. Тогда в конце всплытия кольцо остановится в точке
x=Xk, для которой должно выполняться равенство
Т=Г(х*)- (7.7)
Зная зависимость R = f(x), в соответствии с (7.4) и (7.7) можно
найти силу трения
Т = 0,5/?(хЛ). (7 8)
Максимальную гидравлическую подъемную силу находят так же,
289
19-173
как и в первом методе:
Гмах = V/' Г. (7.9)
Измеряя усилие, необходимое для страгивания кольца из
соосного положения (е = 0), в соответствии с (7.5) получаем
значение силы трения.
Исследования (в частности, исследования на ГЦН реактора
РБМК) показали, что при установке плавающего кольца с диа-
метральным 0,2 -0.3 мм и торцовым 0,05 0,1 мм зазорами про-
течки через них составляют соответственно 5 -13 и 2,5—5,5 муч
при номинальном перепаде давления 1,1 МПа. Биение вала при
этом было равно ширине диаметрального зазора. При биениях
вала, превышающих диаметральный зазор, кольцо не успевает
их «отслеживать» и выходит из строя.
Получив удовлетворительные параметры для одного кольца,
можно приступить к исследованиям натурного уплотнения.
На этом этапе испытательное устройство должно позволять
исследовать работоспособность колец различного конструкцион-
ного исполнения (верам руженных и разгруженных) для таких
случаев:
биение вала меньше радиального зазора,
биение вала равно радиальному зазору;
биение вала больше радиального зазора
Такое устройство (рис. 7 16) в данном случае представляет
собой часть вала ГЦН. вращающегося в собственных подшипни-
ках, которая вместе с натурным блоком уплотнения смонтирова-
на в прочном корпусе 4 Осевое усилие воспринимается упорным
диском /. Испытательное устройство целесообразно разместить
рядом с устройством для исследования единичного кольца, и
тогда вспомогательные системы будут общими на обе конструк-
ции. Необходимость иметь стенд для испытания натурного блока
уплотнения вызвана тем, что появляется возможность контроля
за работой не только блока в целом, но и каждой его ступени.
Разборка, доработка (при необходимости) и сборка уплотнения
не представляют затруднений. Испытания блока плавающих
колец проводились для ГЦН реактора РБМК при перепадах
давлении от 0,15 до 1,5 МПа с различными торцовыми и ра-
диальными зазорами. Ресурсные испытания уплотнения с диамет-
ральными зазорами 0,2—0,3 мм и торцовыми 0,05—0,1 мм велись
в течение нескольких тысяч часов.
Отработка торцовых уплотнений для ГЦН с контролируемыми
протечками Методика отработки гидростатических и гидродина-
мических торцовых уплотнений достаточно полно изложена в
[38, 42, гл 3]. Здесь остановимся лишь на некоторых особен-
ностях отработки гидродинамическою торцового уплотнения с
малыми протечками (не более 0,05 м3/ч) Главной проблемой при
конструировании такого уплотнения, как уже упоминалось ранее.
290
Вода
Рис. 7 16. Сгепд дяя испытания блока уплотнении плавающими кольцами:
/ упорный диск 2 подача воды в пяту. 3- уплотнение; 4 корпус. 5- электро
двигатель; 6 — верхний радиальный подшипник; 7 мерный бачок, 8 — сливнон бак.
У насос; 10 — холодильник; II — фильтр
является обеспечение во всех режимах работы стабильной
жидкостной смазывающей пленки в уплотняющем подвижном
контакте, что гарантирует безызносный режим трения. Это ока-
залось непосредственно связано со стабильностью макрогсомет-
рии уплотняющих поверхностей, независимо от применяемых
материалов [9. 10] Задача стабилизации макрогеометрии оказа-
лась чрезвычайно трудной потому, что основу работоспособности
торцовых уплотнений составляет контактирование оптически
плоских поверхностей Ширина рабочего зазора лежит в преде-
лах от нескольких долей микрона до нескольких микрон, и нару-
шение макрогеометрии даже на несколько микрон приводит к из-
менению характеристики уплотнения. При некотором пределе
нарушение вызывает выход уплотнения из строя Между тем
термические и силовые деформации деталей, образующих кон-
тактирующие поверхности, и деталей, соприкасающихся с ними,
в условиях высоких давлений и переменных температур, а также
291
больших диаметров, характерных для уплотнения ГЦН АЭС,
составляют сотни микрон, т. е превышают рабочий зазор в сотни
и даже тысячи раз Конструкция уплотнений должна быть такой,
чтобы эти «гигантские» по сравнению с рабочим зазором пере-
мещения деталей не приводили к искажению рабочих поверхнос-
тей даже на несколько микрон. Выяснение указанных обстоя-
тельств предопределило принципиальный подход к методике
отработки уплотнения вала (см рис. 3.34) для модернизирован-
ного насоса реактора РБМК- При выборе материала для рабочих
колец, образующих уплотняющие поверхности, было учтено, что
лучшие результаты при испытаниях и эксплуатации показывали
силицированные графиты, несколько модификации которых
прошли испытания на нервом этапе на специальном стенде. По
своему типу первые конструкции уплотнении были торцовыми
механическими контактными с элементами гидродинамики. По-
скольку считалось, что такие уплотнения принципиально нерабо-
тоспособны в условиях ГЦН, предполагалось по достижении
некоторого предельного давления, при котором контактное уплот-
нение выходит из строя, определенными доработками перевести
его в гидродинамический или гидростатический режим. Заметим,
что конструкции уплотнений вала были выполнены в натурную
величину применительно к насосу реактора РБМК Испытаний
на моделях малого размера не проводилось и не предполагалось
проводить, поскольку, как показал опыт, такие испытания не
являются представительными ввиду сложности физических про-
цессов, происходящих в уплотнении при работе
Для проведения экспериментов был спроектирован стенд (рис. 7.17), позво-
лявший в широких диапазонах давлений (до 16 МПа) линейных размеров
колец (до 240 мм), частот вращения (до 3000 об/мин) и температур среды
исследовать конструкции торцовых уплотнений. Испытываемый узел размещает
ся па вертикальном валу, который вращается в двух опорах. Нижняя опора,
представляющая собой блок самоустанавливающегося радиально-осевого
подшипника скольжения, вынесена из рабочей камеры стенда и смазывается
минеральной смазкой с помощью циркуляционной масляной системы Верхняя
опора (радиальный подшипник скольжения) размещена в рабочей полости
стенда и смазывается водой Испытания уплотнений начались после экспери-
ментального подбора коэффициента нагруженности К. Перепад давления на
уплотнении был постепенно доведен до рабочего (8 9 МПа) при номинальной
частоте вращения вала насоса (1000 об/мин). Протечки через уплотнения при
указанных параметрах составляли несколько литров в час После того как было
выявлено, что конструкции и выбранные материалы без доработок обеспечивают
принципиальную работоспособность уплотнений (бсзызносный режим работы при
заданных параметрах), на следующих этапах испытаний было показано, что
уплотнения сохраняют работоспособность в течение длительного срока (10
12 тыс ч).
Уплотнение, обладающее меньшими габаритными размерами
по сравнению с ранее испытанными модификациями, было уста-
292
ирод у'пмнэрм'оихо
293
повлено в опытный ГЦН. где работоспособность его быта прове-
рена как в штатном режиме работы, так и в возможных аварий-
ных ситуациях. При прекращении подачи охлаждающей воды в
холодильники уплотнения температура воды в нем поднималась
с 60 до 80° С в течение 20 мин, т. е. за время, достаточное для
принятия мер ио восстановлению охлаждения. Прекращение по-
дачи запирающей воды даже на более длительный срок не при-
водило к перегреву уплотнения, поскольку при малых протечках
холодильники обеспечивали нормальный температурный режим и
при его работе на контурной воде.
За время испытаний были проведены многократные пуски и
остановки ГЦН при полном перепаде давления на уплотнении.
Износ трущихся поверхностей за время испытаний как на спе-
циальном, так и на натурном стендах не превысил 4 мкм и не
влиял на рабочие характеристики уплотнения.
Необходимо отметить, что испытания уплотнений в перемен-
ных температурных режимах показали, что главная цель, кото-
рая ставилась при проектировании этих уплотнений.— макси-
мальная стабилизация макрогеометрии поверхностей в уплотняю-
щем контакте, исключающая изменение рабочих характеристик
уплотнения при изменении параметров работы, в данных конст-
рукциях не достигнута в полном объеме. Уплотнения, находясь
под высоким перепадом давления, меняли свои рабочие характе-
ристики (потребляемая приводом мощность, протечки) при изме-
нении температуры, что свидетельствовало о неполной стабили-
зации макрогсометрии. Однако в условиях стенда указанная
нестабильность не нарушала безызносный режим трения в уплот-
няющем подвижном контакте, а мощность и протечки изменя-
лись в приемлемых пределах.
При последующей эксплуатации уплотнения было обнаруже-
но. что износ трущихся поверхностей атмосферной ступени не
превышал 2 мкм, однако на поверхности образовались дефекты
в виде сквозных радиальных каналов площадью сечения до
1 мм2. При этом выяснилось, что наиболее часто дефекты на
графитовых кольцах появляются во время или вскоре после
стоянки ГЦН в режиме горячего резерва. Причиной образования
каналов является замеченная уже в период стендовых испытаний
неполная термическая стабилизация макрогеометрии в уплотняю-
щем подвижном стыке. Аналогичные явления отмечены и при
эксплуатации уплотнений зарубежных ГЦН [33, гл. 3].
Рис. 7.17 Испытательный узел и схема стенда для экспериментальных работ по
торцовым уплотнениям:
-------—водяной контур;--------масляный контур; 1. 3 маслонасосы; 2. 9.
14 холодильники; 4 — аварийная емкость; 5. 13 — баллоны для воздуха; 6. 10
фильтры; 7, 11 — компенсаторы объема; 8 — ходонЬя часть с испытываемым узлом; 12 —
мультнгидропиклон; 15, 16 — центробежные насосы, 17 — водяной бак; 18 масляный
бак
294
с малыми
Элементы
показаны
особенно
в
Рис. 7.18. Отдельные эле-
менты торцового уплотне-
ния на малые протечки
При модернизации
конструкции предусмо-
трены более полная ста-
билизация макрогеоме-
трии и контроль за ка-
чеством графита, что
позволило ликвидиро-
вать обнаруженный не-
достаток и создать на-
дежное торцовое уплот-
нение вала
протечками,
уплотнения
па рис. 7.18.
Отработка торцовых уплотнений жидко металлических насо-
сов. Герметизация вала в насосах для жидкого металла осущест-
вляется двойным торцовым уплотнением. Запирающей средой
в УВГ является жидкое минеральное масло. Выбор запирающей
среды предопределяется ее совместимостью с натрием. Важней-
шее требование высокой герметичности уплотнения,
контурной ступени, обусловлено тем, что попадание масла
первый контур отрицательно сказывается па работе реактора.
Процессы, протекающие в контактирующей паре, весьма
сложны для теоретического описания, поэтому задача создания
этого уплотнения наиболее эффективно решается на основе де-
тальных экспериментальных исследований. Отработка УВГ нат-
риевых насосов (так же как и водяных) проводится на натурном
стенде. На начальном этапе испытания ведутся на специальных
стендах, которые незначительно отличаются от приведенного
на рис. 7.17. Стенд должен иметь ходовую часть, размеры вы-
ходного конца вала которой совпадают с посадочными размера-
ми валов штатных насосов. Ходовая часть имеет газовую по-
лость. Герметичность газовой полости обеспечивается испыты-
ваемым торцовым уплотнением. На 1,5—2 м выше уплотнения
установлен бак с маслом, питающим гидрозатвор уплотнения,
соединенный по газу с полостью ходовой части. Слив протечек
масла через пары трения осуществляется в специальные емкости.
Охлаждение торцового уплотнения производится водой.
На заключительном этапе испытания ведутся в составе опыт-
ного насоса на натурном стенде с циркуляцией жидкого металла
в контуре. В процессе испытаний определяются следующие
параметры, характеризующие работоспособность уплотнения:
расположение неподвижных элементов на валу насоса или в
корпусе;
работоспособность пар трения из различных материалов;
295
протечки через нижнюю (герметичную) и верхнюю (атмос-
ферную) пары трения;
температура поверхностей трения;
мощность, потребляемая уплотнением
Во время статических испытаний при постепенном подъеме
давления (с выдержкой на каждом значении) контролируется
отсутствие протечек. Одновременно измеряется момент страгива-
ния. При динамических испытаниях давление повышается по-
этапно. После работы на каждом режиме в течение 150—200 ч
проводится ревизия уплотнения в целях своевременного обнару-
жения начавшегося износа колец. После нескольких разборок
снимается профилограмма износа рабочих поверхностей.
Наибольшее внимание следует уделять выбору пары трения,
так как от нее в основном зависит ресурс уплотнения. Для оте-
чественных натриевых насосов, в частности, проверялись следую-
щие пары трения;
бронза — углеродистая сталь, хромированная но рабочей
поверхности;
графит — углеродистая сталь, хромированная по рабочей по-
верхности;
графит — нержавеющая сталь мартенситного класса;
графит — легированная конструкционная сталь, азотирован-
ная по рабочей поверхности.
Лучшей была признана пара трения графит — легированная
конструкционная сталь. Оптимальная область нагружения этой
пары в масляной среде (размер колец 150—300 мм) равна 0,18
0,22 МПа. Мощность, потребляемая таким уплотнением, состав-
ляет около 4,5 кВт, температура неподвижных колец пары
трения 70 80° С, расход охлаждающей воды примерно 1 м3.
Завершающая стадия — ресурсные испытания в течение несколь-
ких тысяч часов, после чего уплотнение испытывается в составе
опытного насоса. При этом важно приблизить экспериментальные
условия к реальным условиям эксплуатации, чтобы получить
надежную оценку работоспособности и долговечности уплотнения.
Следует в обязательном порядке имитировать аварийные ре-
жимы:
прекращение подачи запирающего масла;
прекращение подачи охлаждающей воды в холодильник
уплотнения;
кратковременное прекращение подачи масла и охлаждающей
воды;
разрушение вторичных уплотняющих элементов (резиновая
манжета, круглая резиновая прокладка и т. д.).
Вместе с тем для торцовых УВГ натриевых насосов важно
установить, как развивается авария при потере уплотнением
герметичности, насколько интенсивно выделяется инертный газ
из насоса и обеспечивается ли полный прием масла в его аварий-
296
ные полости И хотя проведение этих экспериментов на опытном
насосе в условиях натурных стендов требует повышенного вни-
мания и осторожности, они позволяют свести к минимуму или
полностью исключить аварийные ситуации по этим причинам на
насосах действующих АЭС
Отработанные по изложенной схеме уплотнения вала по газу
эксплуатируются безаварийно в насосах первого и второго кон-
туров реакторов БОР-60, БН-350 и БН-600 при суммарной про-
течке (через контурную и атмосферную пары) не более 50 см3/ч
7.2. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НАСОСНЫХ АГРЕГАТОВ
Натурные испытания являются заключительным этапом экспе-
риментальной отработки опытного образца ГЦН. Программа
экспериментальной отработки, как правило, включает в себя
испытания, которые должны подтвердить:
соответствие параметров ГЦН требуемым по заданию или
техническим условиям,
работоспособность ГЦН в целом и его отдельных узлов,
ремонтопригодность насоса (с использованием специальной
оснастки),
нормальное взаимодействие насоса и системы управления
(например, системы автоматизированного изменения частоты
вращения ГЦН, преобразователей тока, питающих электропри-
вод, и т. п );
влияние на работоспособность ГЦН различных отклонении в
режиме работы обслуживающих систем.
Приведенный укрупненный состав программы испытаний
опытного образца ГЦН характерен и для водяных, и для жидко-
металлических насосов
Программа должна предусматривать также проверку харак-
теристик и работоспособности ГЦН во всех режимах, предусмот-
ренных регламентом использования насосов в составе ЯЭУ.
Следует особо отметить, что в ряде случаев условия нахожде-
ния ГЦН в горячем резерве могут оказаться для некоторых
узлов более неблагоприятными, чем рабочие режимы. Несиммет-
ричный прогрев насоса конвективными потоками в его внутрен-
них полостях может привести к разгерметизации разъемных
соединений, перегреву торцового уплотнения, недопустимым тем-
пературным деформациям элементов конструкции Возможны и
другие нежелательные процессы (образование газовых мешков и
т. и ) Поэтому условия горячего резерва должны изучаться с
точки зрения сохранения работоспособности ГЦН не менее вни-
мательно, чем рабочие режимы.
Иногда из-за технической сложности воспроизведение того
или иного режима невозможно на испытательном стенде. В этом
случае должен быть сделан надежный анализ или организованы
297
упрошенные, но представительные испытания, позволяющие
убедиться в отсутствии недопустимых явлении у ГЦН в рассмат-
риваемом режиме
Немаловажным является вопрос о количестве опытных образ-
цов. С одной стороны, надо учитывать, что, испытывая несколько
образцов, можно определить влияние на характеристики ГЦН
допусков на изготовление узлов и деталей, с большей уверен-
ностью выявить его слабые места. С другой стороны, циркуля-
ционные насосы АЭС и испытательные стенды для них являются
уникальными и дорогостоящими изделиями, н далеко не всегда,
в силу ряда обстоятельств, имеется возможность изготовить
несколько опытных образцов и испытательных стендов. Поэтому
вопрос о количестве подлежащих испытанию образцов решается
с учетом конкретных условий Довольно часто разработчики вы-
нуждены ограничиться испытанием одного опытною образца
Недостатки такого решения в какой-то мере можно устранить за
счет организации на специальных стенда,х испытаний большего
количества отдельных наиболее ответственных узлов ГЦН (на-
пример, торцовых уплотнений, подшипников и т. п.).
Особо следует рассмотреть вопрос о проведении испытании
ГЦН на надежность, в частности об определении или подтверж-
дении таких показателен надежности, как ресурс и вероятность
безотказной работы за определенное время. Как \ называлось
выше, к насосам АЭС предъявляются исключительно высокие
требования по ресурсу и безотказности. Испытания в течение
всего периода заданного ресурса насоса занимают несколько
лет. А для повышения достоверности испытаний, проводимых на
одном-двух образцах, следует вести их до наработки большего,
чем заданный, ресурса времени или до исчерпания действитель-
ного ресурса ГЦН Это занимает еще больше времени Поэтому
весьма актуальной является задача разработки методик ускорен-
ных ресурсных испытаний, позволяющих в приемлемые сроки
выявить возможные слабые места и провести доработку конст-
рукции.
Следует заметить, что ресурсные испытания требуют затрат
значительных средств Основной составляющей затрат на ре-
сурстныс испытания мощных I ЦН является стоимость электро-
энергии. Существенно снизить эти затраты можно, проводя
испытания на безрасходном режиме, имитируя специальными
устройствами нагрузки от рабочего колеса па подшипники. Такой
прием можно применить только для ГЦН с уплотнением вала.
Для герметичных I ЦН в силу особенностей их конструкции он
неприменим.
Показатели безотказной работы насосов АЭС можно полу-
чить па основании обработки статистических данных по эксплуа-
тации наиболее близких к испытываемому по конструкции и
модели использованных ГЦН на действующих установках
298
7.2.1. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ
С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ПРОТЕЧКАМИ
Испытательный стенд для экспериментальной отработки ГЦН
на воде выполняется в виде замкнутого герметичного контура,
оснащенного средствами регулирования и измерения подачи
Стенд имеет вспомогательные системы, обеспечивающие воспро-
изведение необходимых режимов работы, определяемых npoipa.M-
мой испытаний [11, 12| •
систему компенсации давчения для поддержания необходи-
мого давления при изменении температуры воды в основном
контуре:
оборудование для изменения температуры воды в основном
контуре (нагреватели и холодильники), предназначенные для
создания различных как стационарных температурных режимов,
так и переходных с необходимой скоростью нагрева или охлаж-
дения;
контур охлаждения испытываемого ГЦН и некоторого вспомо-
гательного оборудования;
систему газа высокого давления;
линии подпитки и дренажа,
цепи электропитания испытываемого ГЦН и вспомогатель-
ного оборудования,
систему контрочьно-измерительных приборов (эксплуатацион-
ных и обеспечивающих проведение измерений в соответствии с
программой испытаний);
систему блокировок и автоматики безопасности,
линии воздухоудаления,
оборудование для поддержания водно-химическою режима в
основном контуре и другие системы, необходимость которых вы-
зывается особенностями конструкции насосного агрегата и
вспомогательного оборудования стенда (система подачи запи-
рающей воды в уплотнение вала, система смазки и подшипников
насоса и т. п.) *
Принципиальная схема стенда для испытания насоса с конт-
ролируемыми протечками представлена на рис 7 19. Система
компенсации давления выполняется обычно в виде сосудов 24 со
свободным уровнем воды, частично заполненных инертным газом
(азотом) высокого давления. Подпитка контура водой осущест-
вляется из запасной емкости 5 с помощью подпиточного насоса.
Контур стенда перед разогревом заполняют водой до некото-
рого расчетного уровня в компенсаторе объема 24, после чего
в нем создается ноддавливание газом с таким расчетом, чтобы
при выходе стенда на спецификационный режим по температуре
за счет расширения воды давление газа в компенсаторе объема
* При испытании ГЦН с турбоприволом стенд должен быть оборудован системой
подачи пара и конденсатором для приема отработавшего пара.
299
300
Ъода
(а следовательно, и в контуре) тоже стало расчетным. Из усло-
вий безопасности целесообразно не устанавливать отсечную ар-
матуру на трубопроводе, соединяющем компенсатор с основным
контуром. Для обеспечения штатного охлаждения испытываемо-
го насосного агрегата, а также другого вспомогательного обору-
дования стенд содержит теплообменники 23. Контур заполняется
дистиллированной водой, а отвод тепла из него (для поддержа-
ния требуемой температуры) осуществляется подачей в теплооб-
менник технической воды. При этом нужно обеспечить очистку
ее от механических примесеи и поддержание температуры на
нужном уровне. Однако практика работы подтверждает целе-
сообразность создания специального замкнутого контура охлаж-
дения.
Установившийся температурный режим работы стенда насту-
пает при достижении равенства подводимого и отводимого тепла.
Тепло от стенда отводится через систему охлаждения ГЦН и
вспомогательного оборудования, а также за счет теплоотдачи от
поверхности ГЦН и стенда в окружающую среду. Если мощ-
ность, потребляемая ГЦН, меньше, чем количество тепла, отво-
димого из стенда, то для достижения заданной температуры кон-
тура стенд должен быть оборудован дополнительным нагревате-
лем. Если же мощность ГЦН велика, то стенд необходимо ос-
настить дополнительной системой охлаждения
Нагреватели стенда можно выполнить в виде системы байпас-
ных трубопроводов, обогреваемых электрическим током низкого
напряжения. Такая система проста в исполнении и обслуживании
и позволяет доступными средствами автоматически поддержи-
вать температурный режим за счет регулирования мощности
путем изменения напряжения, подаваемого на обогреваемые
участки трубопроводов. Следует только иметь в виду, что при
прекращении циркуляции воды через обогреваемый трубопровод
происходит быстрый разо! рев трубы Для предотвращения
перегрева предусматривается автоматическое отключение подачи
напряжения на обогреваемый участок трубопровода во время
остановки ГЦН
При проектировании основной трассы стенда должна быть
обеспечена возможность определения характеристики ГЦН в
диапазоне подач, охватывающем рабочий с перекрытием не
менее 10%. Выбор количества регулирующей арматуры опреде-
ляется максимальным падением давления, которое должна обес-
печить регулирующая арматура, и условием обеспечения беска-
витационной ее работы в положении максимального прикрытия
Желательно, чтобы регулирующие органы имели приблизительно
линейную характеристику зависимости коэффициента сопротив-
ления от хода органа регулирования. Для измерения подачи
ГЦН используются сужающие устройства (сопло, диафрагма),
проектирование, изготовление и монтаж которых должны выпол
301
няться в соответствии с [13] При большом диапазоне измене-
ния подачи для увеличения точности определения ее можно пре-
дусмотреть установку сменных сужающих устройств (с различным
диаметром проходного отверстия) или сменных дифманометров
с различным пределом измеряемого перепада давлений. Иногда
для сокращения времени испытаний на стенде предусматривают
параллельные участки трубопроводов с различными сужающи-
ми устройствами Учитывая длительные сроки использования
испытательных стендов, целесообразно изготавливать оборудова-
ние и трубопроводы основною контура из нержавеющей стали
или из конструкционных сталей с надежным защитным нержавею-
щим покрытием внутренних поверхностей (нержавеющая наплав-
ка или плазменное напыление, нержавеющие кожухи и т п )
7.2.2. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НАТРИЕВЫХ НАСОСОВ
Опытный образец насосного агрегата проходит сначала
испытания на воде Основная цель испытании на водяном стен-
де— проверка работоспособности агрегата Необходимость пред-
варительных испытаний на воде диктуется сложностью осущест-
вления возможных доработок насоса при испытании его на
натрии, так как в этом случае при разборке насоса требуется его
отмывка от натрия Частые разборки насоса затрудняют сохра-
нение в стенде требуемой чистоты натрия, а время, затрачивае-
мое на извлечение насоса из стенда, удлиняется за счет необ-
ходимости предварительного слива натрия и охлаждения стенда
Поэтому целесообразно первоначальную проверку и доводку
конструкции проводить на воде В конечном счете это экономит
время и средства на создание натриевого насоса. Разумеется,
при этих испытаниях проверяются только ie характеристики
насоса, которые не связаны с влиянием натрия и рабочей темпе-
ратуры на его элементы. Например, при испытаниях на воде
(Z^5CP С) нельзя изучить температурное поле насоса, прове-
рить стойкость деталей проточной части к воздействию рабочей
среды, оценить эффективность работы системы охлаждения
и т п.
Стенд для испытания ГЦН на воде выполняется по замкну-
той схеме и во многом аналогичен но схеме стенду, описанному
в п. 7.2.1. В отличие от стенда для испытания водяных ГЦН
стенд для испытания на воде натриевых насосов значительно
упрощен, что объясняется отличиями в режиме работы и в прог-
рамме испытании На стенде не требуется иметь мощные нагре-
вательные и охладительные устройства для проверки ГЦН в ре-
жимах разогрева и расхолаживания Оборудование и трубопро-
воды стенда можно выполнить из конструкционных сталей без
какой-либо защиты от коррозии. Испытания проводятся на
дистиллированной воде, а в целях замедления процессов кор-
розии в воду рекомендуется добавлять ингибиторы
302
В последние годы в отечественной практике появились двух-
позиционпые водяные стенды — с двумя независимыми петлями
основных контуров и общими вспомогательными системами Та-
кое решение позволяет одновременно проводить испытания на-
сосных агрегатов первого и второго контуров при минимально
необходимом количестве оборудования и сокращает занимаемую
производственную площадь почти в 2 раза по сравнению с то-
щадыо для двух независимых стендов.
Совершенно другой подход осуществлен при проектировании водяного
стенда для ГЦН реактора PFR Стенд располагается в специальном приямке
ниже уровня пола. Состоит стенд из технологического бака, выполненного по
штатным чертежам, платного обратного клапана, напорных трубопроводов,
воспроизводящих профиль трубопроводов на участке от ГЦН до реактора.
Испытываемый насос размещается на специальном постаменте, который заглуб-
лен относительно нулевой отметки на 15 м. Приямок, в котором расположен
стенд, при испытаниях заполняется водой до рабочего уровня в насосе. Тем
самым имитируются условия всасывания штатного насоса, имеющего в реакторе
свободный уровень над рабочим колесом
Вспомогательное оборудование ГЦН и стенда (масляная система, система
управления регулирующими дросселями, газовая система и т и.) располагается
на площадке выше уровня воды. Для доступа на эти площадки предусмотрен
подъемник. Все технологическое оборудование стенда изготовлено из углеро-
дистой стали покрытой водостойким лаком. В стенде прсдусмотр ны сопла
Вентури для измерения подачи насоса, приборы для определения напора насоса
и регулирующее устройство с ручным приводом Никакой запорной и регулирую-
щей арматуры в стенде нет На самом насосе во время испытаний измеряется
вибрация в области нижнего гидростатического подшипника, на корпусе верхнего
подшипникового узла и па нижнем фланце электродвигателя.
Испытания насоса проводятся на полной мощности электродвигателя, соот-
ветствующей работе на натрии в номинальном режиме. При снятии рабочей
характеристики допускается кратковременная перегрузка электродвигателя на
Ю%-
Безусловно, такая компоновка стенда ближе к реальным условиям экенлуа
тации насосов однако велики капитальные затраты на его сооружение.
И с пытания на воде. В комплекс испытаний на воде следует
включать следующие задачи
снятие гидравлической характеристики насоса;
проверку кавитационного запаса;
определение осевой гидравлической силы;
оценку возможного захвата газа рабочим колесом и по лини-
ям слива протечек;
определение электромеханических характеристик двигателя, а
также вспомогательных систем.
Полученные зависимости должны быть идентичными расчет-
ным, скорректированным ио результатам модельных испытаний.
Наиболее трудоемкой процедурой при испытаниях является опре-
303
деление осевой силы. В настоящее время существует несколько
методов ее измерения
Метод тензометрирования деталей подпятника Этот метод
наиболее точен, даст возможность определения динамической
составляющей нагрузки, но ввиду недолговечности тензодатчиков
он не может применяться для длительного контроля осевого уси-
лия
Метод непосредственного вывешивания вала Здесь предпола-
гается возможность четкой фиксации момента страгивания в
осевом направлении вращающегося вала Этот способ дает хоро-
шую точность измерения осевой силы. Однако из-за технических
сложностей реализации он, по-видимому, может быть применен
лишь при сравнительно небольших осевых усилиях
Метод определения осевого усилия по давлению на рабочих
органах насоса нашел применение при исследовании на моделях,
так как требуется большое число точек измерения давления
Применение его в опытном насосном агрегате не представляется
возможным
Метод определения осевого усилия по удельной нагрузке на
колодки осевого подшипника Значение удельной нагрузки можно
получить двумя способами: по температуре колодки и по давле-
нию в гидродинамическом клине [14]. Первый способ практи-
чески не все1да пригоден, так как зависимость температуры коло-
док от нагрузки для разных окружных скоростей и разных гео-
метрических размеров колодок оказывается различной. По этой
причине в каждом конкретном случае необходима тарировка
осевого подшипника каким-либо другим способом. Более удобно
и просто измерять давление в гидродинамическом клине.
Определение осевых сил на опытных насосах реактора БН 350 проводилось
методом тензометрирования Тензодинамоме! р представляет собой динамометри
чсскую пружину с наклеенными тензодатчиками. При нагружении деформации
пружины преобразуются тензодатчиками в электрический сигнал, который
подается на усилитель. С тензоусилитсля сигнал идет на шлейф осциллографа
и фиксируется иа светочувствительной бумаге
При сборке насосов каждый вал вывешивается на пяти предварительно
протарированных тензодатчиках, и сумма усилии, приходящихся па каждый из
зензодинамометров, сравнивается с фактическим весом вала. Таким образом
определялась погрешность измерения осевой силы. При испытаниях непосредст-
венно определялась гидравлическая осевая сила, так как положение, когда
тензодинамометры были нагружены только весом подвижных частей, принима-
лось за нулевое Суммарная погрешность при испытаниях не превышала 4%.
что складывалось из погрешности измерительной схемы (около 1%) и погреш-
ности при отработке осциллограмм (около 3%).
Осевая сила в опытных насосах реакторов БН-600 для каждого режима
определялась методом измерения давления в масляном клине По данным изме
рений на семи колодках пяты находилось усредненное давление в центре давле
304
Рис 7.20. Стенд для измерения
захвата газа из бака насоса:
1,5 — расходомеры; 2 — холодиль-
ники’ 3 — опытный насос, 4 — ма-
кет коллектора, 6 — бак сепаратор
ния колодки по формуле
(7.10)
пяты
Ь-
е= I
Руд = - Ри,
где ре — давление в масляном клине, ри — давление в напорной камере
Осевая сила находилась по формуле
тос=—S,
где S — суммарная опорная площадь семи колодок, а — коэффициент, завися
щий от геометрических характеристик колодки и выражающий отношение руд к
удельной нагрузке колодки р Значение а постоянно для всех геометрически
подобных колодок.
Определение возможности захвата газа рабочим колесом на-
соса и количественная оценка рассматриваемого процесса для
основных рабочих режимов насоса, например в реакторе БН 600,
проводились в основной трассе водяного стенда (рис. 7.20)
Для этого в стенд встраивался сепаратор газа 6, который пред-
ставляет собой цилиндрическую емкость (объем 60 л). Подача
воды в сепаратор осуществляется через отверстие в нижнеи ча-
сти цилиндра, которое изнутри бака прикрыто специальной обе-
чайкой с крышкой. В крышке имеется 26 отверстий диаметром
12 мм. Вода из сепаратора выходит через сифонную трубку, вход
в которую находится на расстоянии 50 мм от дна. Вода в сепара-
тор подается из двух точек основного контура: из верхней части
макета коллектора 4 или из трубопровода после расходомерной
диафрагмы 1 Из трубопровода отбор воды осуществляется с че-
тырех различных уровней по поперечному сечению трубопровода:
первый уровень — у верхней части трубы, второй — на 92 мм ни-
же первого; третий — на 99 мм ниже второго; четвертый — на
99 мм ниже третьего (центр сечения). Вода из сепаратора газа
сливается через трубопровод, подсоединенный к патрубку слива
305
20-173
воды из холодильников 2 стенда Очевидно, что если в воде есть
пузырьки захваченного рабочим колесом газа, то в сепараторе
эти пузырьки должны отделяться от воды и скапливаться в верх-
ней части. Для контроля уровня воды в сепараторе имеется водо-
мерное стекло, благодаря чему можно измерить объем газа, вы-
делившегося за определенный промежуток времени, и рассчитать
содержание свободного газа в воде. Для измерения расхода воды
через бак-сепаратор на подводящей трубе установлена расходо-
мерная диафрагма 5, а давление в нем измеряется образцовым
манометром
При проведении испытании стенд заполнялся дистиллирован
ной водой до заданного уровня заливки в баке насоса, а в газо-
вой полости создавалось заданное давление газа (сжатый воздух
из сети). Включался опытный насос на номинальные частоту
вращения и подачу. Через 2 ч работы насоса, когда стенд выхо-
дил на установившийся режим, корректировалась подача насоса,
продувался сепаратор для удаления воздуха (для некоторых
опытов) или, наоборот, в сепаратор подавался газ для установки
контрольного уровня но водомерному стеклу и начинался отсчет
времени (2 ч), в течение которого контролировались основная
подача (опытного насоса), уровень воды в баке насоса, давление
газа, расход воды через сепаратор, давление, температура и
уровень воды в нем. Проба воды в сепараторе отбиралась из
трубопровода первого и третье!о уровней.
Испытания на натрии. Устройство стенда для испытаний на-
сосного агршата на натрии во многом похоже па устройство
стенда для испытания на воде, но отличается от последнего нали-
чием значительного количества дополнительного вспомогательно-
го оборудования (емкости для заполнения натрием и его слива,
ловушки для поддержания чистоты натрия, индикаторы оксидов,
система обогрева) При проектировании стенда необходимо
обеспечить герметичность натриевого контура по отношению к
окружающей среде и пожарную безопасность в соответствии с ус-
тановленными правилами, а также предусмотреть системы запол-
нения натрием и его дренажа, подачи инертного i аза, поддержания
требуемой чистоты натрия, вакуумирования натриевого контура,
предварительного разогрева стенда (перед запопнением натри-
ем), охлаждения контура и оборудования [15].
Техноло! ическая схема такого стенда приведена на рис. 7 21
Основная трасса выполняется в виде замкнутой циркуляционной
петли //, приваренной к патрубкам бака насоса 9. В циркуля-
ционной петле должна быть регулирующая арматура для обеспе-
чения требуемого режима по расходу натрия и средства изме-
рения расхода. Для удобства регулирования иногда ставится
последовательно несколько вентилей. Расход измеряется сужаю-
щим устройством 10 и электромагнитными расходомерами. Для
более точного определения расхода в широком диапазоне целесо-
306
Рис 7.21. Схема натриевого стенда:
1— насос системы вакуумирования и заполнения газом 2 — воздушный холодильник
эвтектики 3 — ресивер; 7 — система вакуумирования и заполнения газом; 5 — холодные
ловушки. 6 — система поддержания чистоты натрия, 7 — электромагнитный насос,
8 — воздушный холодильник натрия, 9 — бак насоса. 10— сужающее устройство; // —
циркуляционный коигур; 12 — емкость накопления натрия; 13 — система накопления, за-
полнения и дренажа; 14 — система охлаждения, 15 — электромагнитный насос контура
охлаждения; 16 — фильтр контура охлаждения; 17 — фильтр-отстойник
образно предусмотреть в конструкции стенда два параллельных
трубопровода разного диаметра со своими приборами измерения
расхода (каждый из своего диапазона измерений). При необхо-
димости проверки насоса на прочность в условиях термического
удара на стенде предусматривается установка бака с «холодным»
натрием, который может быть быстро введен в основной контур
передавливанием инертным газом для имитации заданного пере-
ходного режима.
Система накопления 13, заполненная натрием, и его дренажа
должна обеспечить прием необходимого количества натрия из
транспортных емкостей, подачу натрия в контур стенда, прием
натрия из стенда самотеком при плановом опорожнении стенда
307
или при аварийных ситуациях, связанных с разгерметизацией
натриевого контура. Система состоит из нескольких емкостей
накопления 12, параллельно подключенных к общему коллектору,
соединенному, в свою очередь, с циркуляционной петлей, систе-
мами очистки и охлаждения стенда, а также необходимой запор-
ной арматуры. Для обеспечения свободного слива натрия из
циркуляционной петли в емкости накопления целесообразно по-
следние располагать в заглубленных относительно пола приямках.
Это позволяет удешевить металлоконструкции стенда и сущест-
венно уменьшить требуемую высоту помещения. Трубопроводы,
соединяющие циркуляционную петлю с емкостями накопления,
должны иметь уклон в сторону последних не меньше 3°, а к цир-
куляционной петле подключаться в нижних точках, обеспечивая
за счет этого полный дренаж натрия из стенда. При конструи-
ровании стенда следует избежать образования недренируемых
участков.
Система поддержания чистоты натрия 6 в стенде предназна-
чена для очистки натрия от примесей. Это осуществляется с по-
мощью холодных ловушек 5. Холодные ловушки — наиболее
удобное и эффективное средство очистки циркулирующего нат-
рия. Принцип работы холодных ловушек основан на использова-
нии уменьшения растворимости примесей в натрии при пониже-
нии температуры. Кроме ловушек система содержит индикаторы
оксидов, вспомогательный электромагнитный насос, пробоотбор-
ники, расходомеры и трубопроводы с арматурой Индикатор ок-
сидов представляет собой запорный вентиль с щелью в золотни-
ке. Перед вентилем установлены холодильник натрия, термопара
и расходомер. Содержание примесей в натрии определяют по
температуре, при которой происходит забивание щели в золотни-
ке примесями (прекращается циркуляция натрия через индика-
тор оксидов, о чем судят но показаниям электромагнитного рас-
ходомера). Холодная ловушка и индикатор оксидов устанавли-
ваются на байпасных трубопроводах. Циркуляция натрия через
них при работе стенда осуществляется за счет напора испытывае-
мого насоса Расход натрия, пропускаемого на очистку, зависит
от общего количества натрия в стенде и должен быть таким, что-
бы скорость его прохождения через ловушку была около 2 мм/с.
Помимо метода очистки с помощью холодных ловушек могут ис-
пользоваться и другие методы [16].
Система охлаждения 14 стенда обеспечивает поддержание
температуры натрия в основном контуре на требуемом уровне, а
также охлаждение натрия перед холодными ловушками и инди-
каторами оксидов, электромагнитных насосов, арматуры, узлов
уплотнения испытываемого насоса, электропривода насоса, систе-
мы смазки подшипников ГЦН. Учитывая опасные последствия
взаимодействия натрия с водой (как при попадании воды в кон-
тур стенда из-за возникновения течи в охлаждающих устроист-
308
вах, так и в случае вытекания натрия из контура при разуплот-
нении стенда), ее применение в качестве охлаждающей среды
на стенде недопустимо [17]. Целесообразно в качестве охлаж-
дающей среды в замкнутых системах охлаждения применять эв-
тектический сплав натрий — калий или кремнийорганическую
жидкость (полиэтилсилоксановая ПЭС-13)—силикон [18]. От
вод тепла от эвтектики по соображениям безопасности осуществ-
ляется в теплообменнике 2, охлаждаемом воздухом, а силикон
можно охлаждать водяным холодильником, вынесенным из поме-
щения стенда. Система охлаждения эвтектикой выполняется
герметичной, с расширительной емкостью, соединения трубопро-
водов — сварными В разомкнутых системах охлаждения в каче-
стве охлаждающей среды применяется воздух Использование
воздушной разомкнутой системы охлаждения существенно упро-
щает конструкцию стенда и его обслуживание. Но охлаждаемые
воздухом холодильники требуют более развитых со стороны воз-
духа поверхностей охлаждения по сравнению с холодильниками,
охлаждаемыми жидкостью, что усложняет конструкцию и увели-
чивает габаритные размеры оборудования
Воздушный холодильник должен иметь электронагреватели
для разогрева перед заполнением натрием. Теплообменник уста-
навливается на байпасе основного циркуляционного контура, и
натрий подается в него напором испытываемого насоса Воздух в
холодильнике нагнетается вентилятором, расход воздуха регули-
руется шибером. При эксплуатации воздушного холодильника
требуется контролировать расход натрия через него, так как име-
ется опасность застывания в нем натрия или забивания трубок
оксидами.
Система вакуумирования 4 служит для откачки воздуха из
стенда для проверки его на герметичность и перед заполнением
инертным газом. Опыт показывает, что герметичность стенда
для испытания насосов считается достаточной, если при оста-
точном давлении 1 Па натекание не будет превышать 133 Па
за 12 ч. Перед заполнением инертным газом стенд должен быть
откачан до остаточного давления не более 13,3 Па.
В качестве инертного газа для заполнения рабочих объемов
может применяться аргон или азот особой чистоты с содержани-
ем влаги не более 0,03 г/м . Этими же газами осуществляется
передавливание натрия из транспортных емкостей и из емкостей
накопления.
Система предварительного разогрева предназначена для ра-
зогрева застывшего натрия в транспортных емкостях, емкостях
накопления, оборудования и коммуникаций стенда перед их за-
полнением натрием, поддержания натрия в контуре в расплав-
ленном состоянии при кратковременной остановке испытываемо-
го насоса. Наиболее удобно систему разогрева выполнить в виде
различного рода омических или индукционных электронагрева-
309
Рис. 7.22. Гидравлические характеристики насоса первого контура реактора
БН-600 (п = 970 об/мин; Оу = 920 мм):
---------испытания на воде,----------испытания на натрии
телей. Для обогрева сосудов удобно использовать шахтные
электропечи сопротивления либо навешенные на легком каркасе
проволочные электронагреватели. Обогрев различного рода тру-
бопроводов и арматуры осуществляется проволочными электро-
нагревателями, накладными (на крупные трубопроводы, армату-
ру) либо намотанными (на мелкие трубопроводы). Для электро-
изоляции на проволоку надевают керамические бусы. Поверх
электронагревателей накладывается теплоизоляция из минераль-
ной ваты.
Основная цель проведения испытаний опытного насосного аг-
регата на натрии — проверка его работоспособности в эксплуа-
тационных условиях. В процессе этих испытаний в первую оче-
редь выявляется, не возникает ли в отдельных частях насоса
каких-либо температурных деформаций, приводящих к наруше-
нию работоспособности насоса или изменению его характеристик.
Это может произойти по причине изменения зазоров из-за
разности температур или температурных коэффициентов линей-
ного расширения материалов сопрягающихся деталей. В безза-
зорных соединениях по этим же причинам могут возникнуть недо-
пустимые напряжения. Наиболее вероятно возникновение таких
явлений в переходных режимах, связанных со сравнительно бы-
стрым и неравномерным изменением температур. В остановлен-
ном насосе вследстие неравномерного прогрева может произойти
310
изгиб вала, и появится опасность защемления его в подшипни-
ках. Возможность возникновения такой опасности должна быть
исключена.
Как показывает опыт, проверка характеристики насоса на
натрии не вносит сколько-нибудь существенных уточнений в ре-
зультаты ранее проведенных испытаний на воде (рис. 7.22). За-
служивает внимания только некоторый рост КПД насоса при ра-
боте на натрии, что объясняется меньшей вязкостью натрия.
Достаточно полное представление о работах, выполняемых при испытаниях
опытного образна на натрии, дают материалы об испытаниях натурного образца
циркуляционного насоса реактора SNR-300 на натриевом стенде АРВ в Бенсбср-
ге (ФРГ) |19, 20] Основные характеристики насоса приведены ниже:
Подача, м3/ч ......................... 5000
Температура натрия, °C .............. 580
Напор, м ............................. 85
Требуемый подпор па всасывании, м ... 10
Тип рабочего колеса .................. С односторонним всасыванием и ра-
диальным подводом
Тип привода .......................... Синхронный электродвигатель с час-
тотным регулированием частоты вра-
щения в интервале 5—100%
Номинальная частота вращения, об/мин 960
Тип насоса ... ................... .... ... Погружной, с выносным двигателем
Тип подшипников:
нижний (радиальный) ..... ... ... Гидростатический, работает на натрии
от напора основного рабочего колеса
верхний (радиальный и осевой) ....... Вынесенный гиродииамический. при-
нудительная смазка минеральным
маслом
Испытания проводились в два этапа. На первом этапе предусматривали сле-
дующие работы:
определение основных характеристик (напора. КПД. мощности в зависимости
от объемной подачи);
определение протечек по газу в механическом торцовом уплотнении,
проверка работы ГСП при небольшой частоте вращения (5—10% номиналь-
ной );
проверка поведения ГЦН при термоударах;
определение кавитационных характеристик;
изучение динамики привода, включая характеристики выбега;
измерение вибрации.
Из-за некоторых особенностей испытательного стенда насосу не удалось
придать строго вертикальное положение, и во избежание повреждения ГСП часто-
ту вращения валя поддерживали выше 300 об/мин. Верхний предел частоты вра-
щения был равен 700 об/мин, а на номинальную частоту (960 об/мин) ГЦН вы-
водили лишь кратковременно.
На этом этапе испытаний ГЦН отработал в общей сложности 1750 ч, общее
число пусков — остановок составило 192. Гидравлические испытания велись при
трех значениях температуры натрия — 580, 350, 200° С. Определение потерь на
трение вала в натрии проводилось при трех уровнях натрия в баке ГЦН. В про-
311
цессе испытаний выяснилось, что перетечки натрия по внутреннему зазору между
выемной частью и корпусом насоса в 3—4 раза выше, чем ожидалось по резуль-
татам испытаний на воде. Произошло это в результате увеличения зазора из-за
различных температурных расширений материалов. Ко второму этапу испытаний
это явление было устранено за счет установки уплотнительных колец
Надежность уплотнения вала по газу испытывали с помощью течеискателя
подачей гелия в газовую полость ГЦН Для проверки работоспособности ГСП
кроме работы на разных частотах вращения была проведена проверка при ми-
нимальной частоте вращения (50 об/мин) с одновременным отклонением насоса
от вертикального положения
Проверялись также возможность и полнота дренирования натрия из ГЦН
По окончании первого этапа была проведена доработка стенда, а ГЦН осна
щен дополнительными средствами измерений, в частности зазора в ГСП и темпе
ратуры отдельных элементов конструкции. На втором этапе испытаний программа
предусматривала проверку надежности и ремонтопригодности насосного агрегата
в целом, определения гидравлических и кавитационных характеристик, испытания
на термический удар, работу на малой частоте вращения, измерение протечек
газа, изучение динамики ГЦН и его характеристик при выбеге Кроме того, прово-
дились измерение вибраций и распределение температур.
Общая наработка в процессе первого и второго этапов испытаний составила
6000 ч Испытания проводились в течение 1 года 8 мес (включая 5 мес на пере-
делку стенда)
Ремонтопригодность ГЦН проверялась трехкратной переборкой При прове-
дении испытаний на термоудары в насосе 50 раз имитировался переходный режим
снижения температуры с 560 до 460° С со скоростью 4,5° С 'с. Отдельные испыта
ния на термоудары иа специальном стенде прошел ГСП с твердосплавным покры-
тием (проведено 750 циклов полного термического удара)
Проверялась также работоспособность ГЦН в кавитационном режиме Для
этого около 150 ч насос проработал в условиях кавитации, в том числе 30 ч при
снижении напора более чем на 3%.
Программы испытаний отечественных ГЦН на натрии близки к рассмотренной
[6, 7, гл. 4| Дополнительно исследуется ГЦН как возможный источник насыще-
ния циркуляционного контура углеродом (в связи с наличием масла в подшип
никах и уплотнении вала), а также его поведение в различных нерегламентных
ситуациях
Перечислим задачи (объединив их в группы), которые долж-
ны быть решены к моменту завершения испытаний насосного аг-
регата:
1. Испытания (из-за отсутствия достаточного опыта) на пер-
вом этапе как на воде, так и на натрии, а именно:
снятие гидравлической характеристики;
кавитационные испытания;
испытания в пусковых и переходных режимах;
оценка радиальных сил.
2. Испытания только на воде, включающие в себя:
проверку механической работоспособности агрегата;
снятие электромеханических характеристик электродвигателя;
312
определение осевой гидравлической силы;
оценку захвата газа на линии слива протечек;
проверку работоспособности штатных обслуживающих си-
стем;
отработку технологического оборудования для монтажа и де-
монтажа насоса.
3. Испытания только на натрии, т. е.:
проверка работоспособности элементов агрегата при задан-
ных температурах;
исследования, связанные с проникновением паров масла из
насоса в контур;
ресурсные испытания.
Как видно, почти половина задач решается при испытаниях
на воде.
Накопленный к настоящему времени опыт показывает, что ре-
зультаты экспериментов на воде и натрии идентичны, и нет необ-
ходимости проводить полномасштабные натриевые испытания
для последующих поколении ГЦН.
Целесообразность стендовых испытаний для решения задач
третьей группы также не очевидна. Проблемы, связанные с про-
никновением паров масла из ГЦН в контур, после тщательного
изучения на одном из насосов в дальнейшем могут быть учтены
именно расчетными методами для других I ЦН. Ресурсные испы-
тания достаточно представительно могут быть проведены только
непосредственно на реакторе. Остается лишь одна задача: про-
верка агрегата при имитации рабочих температурных условий.
Отечественный опыт и зарубежные публикации [6, гл. 2]
указывают, что отказ от испытании при заданных температурных
режимах недопустим, поскольку деформация элементов конструк-
ции при воздействии высоких температур представляет наиболь-
шую опасность для насоса. При этих испытаниях проверяются:
механическая работоспособность вращающихся частей в
натрии при рабочем и минимально допустимом уровнях заливки;
поведение элементов конструкции и распределение темпера-
тур при максимально допустимом уровне заливки и остановлен-
ном насосе;
готовность ГЦН к работе после «горячего резерва»;
работоспособность радиально-осевого подшипника, уплотне-
ния вала, а также состояние КИП при снижении или полном
прекращении подачи масла и рабочем уровне натрия в насосе;
технология монтажа и демонтажа выемной части.
Все перечисленные работы вполне могут быть проведены на
технологическом стенде, который обеспечивал бы необходимый
объем натрия, возможность изменения температуры в требуемых
пределах и минимальную циркуляцию натрия для обеспечения
работы ГСП на штатных параметрах, поскольку нет технической
необходимости проводить эти испытания на номинальной подаче
313
Исходя из этих соображений при создании ГЦН для реактора
БОР-60 в целях удешевления отработки опытных образцов на
натрии испытывалась ходовая часть насоса второго контура со
специальным (нештатным) рабочим колесом с уменьшенной по-
дачей.
Рабочее колесо было выполнено таким образом, что создава-
ло штатные гидродинамические силы, обеспечивало штатное пи-
тание гидростатического подшипника и небольшой расход по
внешней циркуляционной петле; это позволило существенно уп-
ростить испытательный стенд и удешевить испытания. Такой ме-
тод испытаний был применен также при создании ГЦН реакторов
БН-600 и БН-800.
7.3. ПРИЕМО-СДАТОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕРИЙНЫХ ГЦН
7.3.1. ИСПЫТАНИЯ ВОДЯНЫХ НАСОСОВ
Приемо-сдаточные испытания проводятся в целях проверки
качества изготовления и сборки серийных ГЦН и соответствия
их характеристики требованиям технических условий на постав-
ку. Методика и объем испытаний определяются программой при-
емо-сдаточных испытаний, разрабатываемой проектантом ГЦН.
Приемо-сдаточные испытания являются важным этаном конт-
роля качества изготовленного изделия. Методика и объем испы-
таний должны гарантировать выявление при испытаниях всех
отступлений от технических условий и всех ненормальностей в
работе, которые могут возникнуть вследствие дефектов сборки
или установки в ГЦН деталей и узлов с невыявленными в ходе
изготовления недопустимыми отклонениями от требований кон-
структорской документации (отклонения в размерах, несоответ-
ствие в марке материала или его механических свойствах и т. и ).
Приемо-сдаточные испытания проводятся на спецификацион-
ных режимах. Конструкция испытательного стенда для проведе-
ния этих испытаний будет аналогична конструкции стенда для
испытаний опытного образца насосного агрегата. Однако не сле-
дует исключать возможность проведения приемо-сдаточных испы-
таний только на холодной воде (с первого серийного образца или
после изготовления головной партии насосов) В этом случае
«горячие» испытания головной партии можно провести на стенде,
предназначавшемся для испытания опытного образца, а на заво-
де-изготовителе изготовить гораздо более простой и дешевый
стенд для испытаний на холодной воде. По принципиальной схе-
ме он похож на стенд для испытаний опытного образца, но отсут-
ствие необходимости создавать в нем высокие давление и темпе-
ратуру значительно упрощает его конструкцию и эксплуатацию.
Например, приемо-сдаточные испытания головной партии насо-
сов реактора РБМК были проведены на том же стенде, где про-
водились испытания опытного образца.
314
Последующие насосы реактора РБМК испытываются только
на «холодном» стенде. Программа испытаний включает в себя:
обкатку на холодной воде при номинальной подаче в тече-
ние 10 ч;
снятие гидравлических и электромеханических характеристик
на холодной воде.
Ревизия после испытаний не проводится, за исключением вы-
борочного осмотра верхнего подшипникового узла у одного насо-
са от партии. Повторная обкатка после ревизии также не прово-
дится. Все испытания проходят в одном (стендовом) корпусе на-
соса.
В процессе испытаний монтируется и демонтируется только
выемная часть, что значительно проще, чем каждый раз монтиро-
вать и демонтировать ГЦН в сборе
Конструкционные особенности герметичных ГЦН предопреде-
ляют необходимость проводить их приемо-сдаточные испытания
на спецификационных параметрах воды, поскольку у них темпе-
ратура перекачиваемой воды существенно сказывается на усло-
виях работы систем охлаждения и газоудаления, электропривода,
подшипников. Поэтому на холодной воде не представляется воз-
можным проверить качество изготовления ГЦН и соответствие
его характеристики техническим требованиям на поставку.
Как правило, программа приемо-сдаточных испытаний герме-
тичных ГЦН предусматривает проведение их испытаний в два
этапа. На первом этапе проводятся проверка характеристики на-
соса и обкатка в течение заданного времени. После этого ГЦН
разбирается для ревизии и осмотра состояния всех его узлов.
При сдаче герметичных ГЦН с «сухим» статором особое внима-
ние при осмотре после первого этапа испытаний должно уделять-
ся состоянию герметизирующей статорной перегородки. Статор
должен быть подвергнут испытаниям на герметичность статорной
перегородки с помощью гелиевого течеискателя. Проверяются
размеры подшипников для выявления возможного ненормального
износа. При удовлетворительных результатах ревизии насос со-
бирается и подвергается контрольной обкатке в «горячем» режи-
ме в целях проверки качества повторной сборки Если результаты
контрольной обкатки положительные, то насос разборке не под-
вергается и после консервации пакуется для отправки потреби-
телю. Продолжительность обкатки на первом этапе составляет
100—500 ч, а продолжительность контрольных испытаний — до
24 ч.
7 3 2. ИСПЫТАНИЯ НАТРИЕВЫХ НАСОСОВ
В СССР в течение длительного времени успешно эксплуатируются исследо-
вательские реакторы на быстрых нейтронах БОР-60, БН 350 и БН 600 Эти реак-
торы изготавливались как единичные образцы в целях выбора оптимальной кон
315
V насоса реактора БН-350 при снятии характеристик проверялась также зависимость протечек по линии слива от подачи.
струкции серийного реактора на быстрых нейтронах и отработки вопросов его
эксплуатации.
Производство ГЦН для этих реакторов носило также единичный характер.
Поэтому методика проведения их испытаний создавалась с учетом имеющихся
средств, разработанной технологии изготовления ГЦН и сроков поставки.
В табл 7 1 представлены основные этаны приемо-сдаточных испытаний се-
рийных насосов реакторов БН 350 и БН ЬОО
Аналогичный порядок приемо-сдаточных испытаний предусмотрен и для на-
сосов реактора БН 800
Глава 8
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ГЛАВНЫХ
ЦИРКУЛЯЦИОННЫХ НАСОСОВ АЭС
8.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Направления совершенствования насосных агрегатов, их пер-
спективность определяются в основном требованиями максималь-
4 ного повышения надежности, экономической эффективности АЭС.
Следовательно, оправдано внедрение только тех усовершенство-
ваний, которые при снижении затрат на эксплуатацию АЭС
увеличивают надежность и безотказность ГЦН и тем самым
уменьшают непроизводительные простои и, следовательно, повы-
шают коэффициент использования мощности АЭС Высокая стои-
мость I ЦН, сложность и длительность их изготовления и монта
жа вполне обоснованно подтверждают требование заказчика,
т. е. АЭС, иметь фактический ресурс ГЦН равным ресурсу АЭС
в целом [1].
Сформулируем ряд требований, определяющих прогрессив-
ность возможных усовершенствований конструкций ГЦН для
АЭС с различными типами реакторов К ним следует отнести:
повышение ресурсной надежности, повышение ремонтопригод-
ности; увеличение межремонтного периода; уменьшение объема
эксплуатационного контроля; снижение мощности (повышение
КПД); снижение металлоемкости; снижение стоимости; повыше-
ние показателей унификации и стандартизации.
Принимая решение о внедрении тех или иных усовершенство-
ваний, учитывают различные сложившиеся организационно-про-
изводственные отношения: сложность и степень новизны про-
мышленной кооперации, располагаемое время на реализацию и
т. п. Если усовершенствованные ГЦН предлагается эксплуатиро-
вать на данной АЭС наряду с существующими, должны быть
проанализированы возможные неудобства для эксплуатационно-
го персонала в основном технического характера.
Ниже приведены некоторые проектные предложения, которые
авторами отнесены к перспективным, а также сформулированы
317
Вход
жидкости
Рис 8 I Схема трехопорного ГЦН для
реактора РБМК-1500:
/ — гидростатический подшипник 2 вал
насоса 3 — уплотнение вала; 4 станина
электродвигателя; 5 — проставка; 6 — ро
тор электродвигателя 7. 8 радиальный
и радиально-осевой подшипники соответ-
ственно
318
ЧЧ Ч Ч Ч Ч 1 ИЗ? 7/77 Д7? Д/ 7 7 7 7 7 / ТУ? '7 2 >
Продолжение рис. 8 1
319
Рис. 8 2. Схема трехопорного ГЦН с подшипником качения для реактора
РБМК-1500:
/—гидростатический подшипник 2—уплотнение вала; 3—проставка 4 — подшипник
качения 5, 6 — радиальный и радиально-осевой подшипники соответственно
320
21-173
Продолжение рис. 8.2
321
частные задачи, успешное решение которых способствовало бы
совершенствованию ГЦН.
8.2. ПОУЗЛОВОЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
Целесообразно выделить в первую очередь перспективные
проработки, не вносящие принципиальных изменений в описан-
ные выше компоновочные схемы насосных агрегатов, но тем не
менее позволяющие существенно улучшить такие качества, как
надежность, экономичность, ремонтопригодность, простота в об-
служивании. Ценность этих усовершенствований, как правило, нс
затрагивающих базовых деталей ГЦН (корпус или бак, элементы
крепления к фундаменту), состоит в том, что их внедрение воз-
можно на ГЦН уже действующих или строящихся АЭС.
АЭС с реактором РБМК. Показанная па рис. 8.1 конструкция
ГЦН разработана с целью исключить из ГЦН верхний радиаль-
но-осевой подшипник, функцию которого может выполнять ана-
логичный узел в электродвигателе. Для снижения затрат времени
и средств на замену механического уплотнения вала 3 соедине-
ние вала насоса и ротора электродвигателя выполнено при помо-
щи жесткой проставки 5. Удалив проставку, можно заменить уп-
лотнение вала без демонтажа электродвигателя. Агрегат имеет
три подшипниковые опоры. Верхний радиально-осевой подшип-
ник 8 электродвигателя полностью соответствует серийному узлу
насоса. Нижний подшипник 7 электродвигателя и гидростати-
ческий подшипник 1 насоса оставлены без изменений. В этом
ГЦН используются также серийные крышки с горловиной, уплот-
нение вала, детали проточной части. Из-за отсутствия в ГЦН
радиально-осевого подшипника станина 4 электродвигателя бу-
дет короче, что позволит на 0,25 м уменьшить высоту всего агре-
гата. Насос имеет те же обслуживающие системы, что и серий-
ные ГЦН реактора РБМК (см. гл. 4), с той лишь разницей, что
маслосистема предназначена для обслуживания электродвига-
теля.
Для данного насосного агрегата необходим новый электро-
двигатель с измененным радиально-осевым подшипником и уси-
ленным корпусом.
Во втором варианте насосного агрегата (рис. 8.2), сохраняю-
щем все достоинства первого (удобство демонтажа уплотнения
вала, отсутствие подшипника скольжения и выемной части), ис-
пользован практически неизменный электродвигатель серийного
ГЦН и, следовательно, отсутствует в обслуживающих системах
маслобак. Агрегат имеет четырехподшипниковую линию вала:
два гидродинамических подшипника электродвигателя и два —
насоса (ГСП, не отличающийся от серийного, и двухрядный под-
шипник качения 4). Остальные узлы и детали аналогичны тако-
вым серийного агрегата.
322
7270 3670
7
в
9
I
Рис. 8.3. Схема ГЦН с диаго-
нальным рабочим колесом
для реактора ВВЭР-1000:
/ радиально-осевой подшип-
ник; 2 — ротор электродвигате-
ля; 3 — электродвигатель, 4 —
радиальный подшипник; 5 —
соединительная муфта; 6 вал
насоса, 7 уплотнение вала;
8 — гидростатический подшип-
ник; 9 — рабочее колесо
6
Выход
жидкости
Вход
жидкости
323
Подшипник качения воспринимает направленную вверх осе-
вую силу (около 200 кН), действующую на вал стоящего ГЦН.
У работающего в номинальном режиме ГЦН осевая сила направ-
лена вниз и не превышает при работе на холодной воде (благо-
даря наличию системы разгрузки) 150 кН В этом режиме на
Рис 8.4. Схема консольного ГЦН для реактора РБМК-1500:
/ — торсион; 2—радиально-осевой подшипник; 3 ротор; 4 радиальный подшипник,
5 станина электродвигателя; 6—уплотнение вала; 7—рабочее колесо: 8—корпус
324
грузка воспринимается односторонним осевым подшипником
электродвигателя. Таким образом, в длительных рабочих режи-
мах на!рузка на подшипник качения насоса отсутствует. По
расчетным оценкам, диаметр вала в области установки подшип-
ника качения будет равен 220 мм. При таком диаметре возможно
применение серийного подшипника, который способен нести ста-
тическую нагрузку до 1100 кН, что в данном случае более чем в
5 раз превышает реальную осевую силу.
АЭС с реактором ВВЭР-1000. На рис. 8.3 показана конструк-
ция ГЦН с полуосевым (диагональным) рабочим колесом на
частоту вращения 1500 об/мин и подачу 20 000 м /ч [2J Насос
и электродвигатель соединены жесткой муфтой 5 Такое решение
позволяет применить три опоры для вала агрегата Подшипники
Вход ходкости
Продолжение рис. 8 4
325
/ и 4 электродвигателя работают на масле, а гидростатический
подшипник 8 насоса — на перекачиваемой среде. Радиально-осе-
вой подшипник 1 расположен в электродвигателе и обслуживается
вынесенной маслосистемой. Достаточно большая масса ротора
электродвигателя (17 т) обеспечивает необходимый выбег без
установки дополнительной инерционной массы (маховика). Креп-
ление агрегата выполнено в виде шаровых опор, которые обеспе-
чивают устойчивое положение агрегата при тепловых расшире-
ниях корпуса насоса и примыкающих к нему трубопроводов.
Описанная конструкция обладает и рядом недостатков, присущих
насосным агрегатам с жестким соединением валов (см. гл. 2)
8.3. ВОЗМОЖНЫЕ СХЕМЫ И КОМПОНОВКИ
В данном параграфе описаны некоторые перспективные про-
екты ГЦН, существенно отличающиеся от выпускаемых серийно
Концепции их разработаны, с одной стороны, с учетом новейших
требований к конструкциям такого типа, а с другой — реальной
возможности создания с точки зрения современной технологии.
АЭС с реактором РБМК В отличие от насосных агрегатов,
показанных на рис 8.1 и 8 2, третий вариант ГЦН для этой
АЭС (рис 8 4) [3] имеет единый ротор 3, вращающийся в
двух подшипниках электродвигателя — верхнем 2, воспринимаю-
щем все осевые усилия, и нижнем 4, радиальном. Собственно
насос подшипников не имеет. Рабочее колесо 7 консольно за-
креплено на роторе с помощью торсиона /. Крутящий момент
от электродвигателя к колесу передается с помощью торцового
зубчатого зацепления. Остальные элементы проточной части
аналогичны серийным Крышка с горловиной меньшей высоты,
легче и не имеет патрубков. Вместо двух тяжелых станин в дан-
ном варианте используется одна станина 5, более легкая
Для смазки радиально-осевого подшипника 2 применяется
серийный маслобак Нижний подшипник 4 размещен в масло-
ванне. Система запирающей воды также соответствует системе
серийного ГЦН.
При необходимости доступа к уплотнению вала 6 последнее
демонтируется вместе с электродвигателем При этом рабочее
колесо с торсионом из насоса не извлекается Поскольку ГСП
в данном варианте отсутствует, а рабочее колесо и направляю-
щий аппарат при достаточно надежном их креплении не тре-
буют обслуживания, главный разъем насоса не подвергается
разборке в течение всего срока его службы
Достоинства этой компоновки, по сравнению с компоновкой
серийного ГЦН существенно уменьшены высота и масса (на
2,5 м и 25 000 кг соответственно); благодаря отсутствию ГСП
упрошено обслуживание ГЦН, возможна работа с незаполнен-
ным водой корпусом, что облегчает условия предпусковой и по-
326
Выход
жидкости
Вход жидкости
Рис. 8.5. Схема ГЦН с блоком подшип
ников для реактора РБМК-1500: J
/ — электродвигатель; 2 станина элек-
тродвигателя, 3 вал; 4 уплотнение 2
вала. 5. 7 — радиальные подшипники; у
6 осевой подшипник; 8 корпус
Рис 8 6 Схема ГЦН для АЭС с кипя
шим реактором:
1 — корпус; 2 вспомогательное рабочее
колесо; 3 выемная часть; 4— холодиль-
ник автономного контура. 5 прокладка Выход
главного разъема; б — накидной фланец;жидкости.
7 — подставка под электродвигатель; 8 —
электродвигатель; 9 — соединительная
муфта; 10 — блок уплотнения вала
слсрсмонтной обкатки ГЦН, уменьшены затраты времени на за-
мену или ремонт уплотнения вала из-за отсутствия операции
выверки вала насоса и ротора электродвигателя; повышены на-
327
дсжность и ресурс агрегата в целом благодаря применению
хорошо зарекомендовавших себя маслосмазываемых подшип-
ников.
К недостаткам следует отнести большую консоль рабочего
колеса (около 1,6 м) и вызванное этим увеличение диаметра
вала (325 мм в области уплотнения). Увеличение уплотняемого
диаметра, в свою очередь, требует разработки нового уплотнения
вала, и, как следствие, растет осевое усилие, воспринимаемое
осевым подшипником (500 кН при давлении в корпусе 7,2 МПа
у неработающего насоса и 200 кН — у работающего) Очевидно,
при данной компоновочной схеме целесообразно изготавливать
агрегат на одном предприятии.
Наиболее интересным представляется четвертый вариант
(рис. 8.5), в котором подшипники 5, 7 агрегата работают на
воде и объединены в отдельный блок, который можно извлекать
из насоса без разуплотнения главного разъема. Пары трения
подшипников охлаждаются встроенным холодильником, под-
держивающим их температуру на приемлемом уровне (около
90° С) В месте сопряжения с крышкой горловина сужена для
уменьшения подвода тепла от проточной части к подшипникам
I4’ .
Основной технической проблемой при разработке этого вари-
анта было создание высоконагруженного осевого подшипника,
работающего на водяной смазке Такой подшипник грузоподъ-
емностью 400 кН (см. рис 3.28) был спроектирован, изготовлен
и испытан на стенде
Уплотнение вала, принципиально не отличающееся от серий-
ного, расположено выше блока подшипников, следовательно, об-
легчается его обслуживание ГЦН не имеет систем смазки и
питания ГСП, что упрощает его эксплуатацию, повышает надеж-
ность и экономичность.
Как известно, одним из путей повышения надежности АЭС
является увеличение количества ГЦН (остановка одного из I ЦН
в этом случае приводит к относительно небольшому снижению
мощности реактора). В этой связи заслуживает внимания еще
один вариант ГЦН для АЭС с кипящим реактором [5]. Насос
(рис. 8.6) имеет подачу 2700 м3/ч и состоит из корпуса /, вы-
емной части 3 и двухскоростного приводного электродвигателя
8. Корпус — кованосварной со сферическим днищем. На посадоч-
ных местах корпуса под выемную часть выполнена антикорро-
зийная наплавка. Элементы проточной части — традиционные,
в виде центробежного рабочего колеса и лопаточного направ-
ляющего аппарата. Вал насоса вращается в радиальных ГДП.
Осевое усилие воспринимается колодочной двухсторонней упор
ной пятой с выравнивающим устройством в виде комплекта
рессор постоянной жесткости. Пары трения радиальных подшип-
ников — высокотвердая наплавка по силицированному графи-
328
ту, упорной пяты — силицированный графит по силицированно-
му графиту.
В ГЦН предусмотрен автономный циркуляционный контур
для поддержания необходимого температурного режима в райо-
не подшипниковых узлов и главного разъема. Контур включает
в себя вспомогательное рабочее колесо 2, закрепленное на валу
насоса, и холодильник 4 Для осуществления направленного дви-
жения охлаждающей воды полость холодильника ограждена ко-
жухом так, что между кожухом и внутренней стенкой выемной
части образована застойная зоны, уменьшающая теплоотвод от
более горячих частей корпуса к главному разъему Вода к под-
шипникам после холодильника поступает по каналам и сверле-
ниям в обечайке Слив после подшипников на всасывание вспо-
могательного колеса осуществляется по каналам в гидроди
намических подшипниках. Для уменьшения отвода тепла от
деталей проточной части полость автономного контура отсечена
температурным барьером, представляющим собой два экрана,
собранных из тонких колец пластин и образующих застойные
зоны.
Торцовое уплотнение 10 блочной конструкции—двухступен-
чатое (с рабочей и резервной ступенями), со встроенным холо-
дильником. Оно не имеет специальной системы запирающей
воды, а питается от станционных подпиточных турбонасосов
Питательная вода (около 1 м3/ч) подается под нижнюю (рабо-
чую) ступень, протечки через которую (не более 0,8 м3/ч) под
давлением 0,05—1,0 Vina сливаются в специальную емкость.
Протечки через резервную ступень (не более 0,025 м /ч) от-
водятся в линию свободного слива
Выемная часть уплотняется в корпусе с помощью круглой
никелевой прокладки 5 Все детали ГЦН выполнены из нержа-
веющей аустенитной стали
Сокращение капитальных затрат, связанных с большим объе-
мом вспомогательных помещений, занятых ГЦН (около 50 тыс м3
в реакторе РБМК [6]), и расходов на собственные нужды
насосным оборудованием (ГЦН реактора РБМК потребляют
около 30 МВт электроэнергии) можно получить, в частности,
за счет применения паротурбинных агрегатов (ПТНА). В этом
случае пар после сепаратора поступает непосредственно на тур-
бопривод ПТНА, а затем уже в паропровод. Благодаря своей
компактности и небольшой металлоемкости ПТНА (рис. 8.7)
выгодно отличаются от электронасосов.
Еще больший экономический эффект ожидается от применения струй
ных термонасосов, которые по приншп у действия можно отнести к объемным.
При определенном соотношении расходов питательной и насыщенной воды тер-
монасос способен развивать напор, равный разности питательной и контурной
воды. Сказанное можно проследить по диаграмме на рис 8 8 [б]. Горячая
329
Рис 8.7. Схема паротурбонасосного агре
гата:
1 - крышка; 2— отводящий канал; 3 — дат-
чик частоты вращения; 4 — турбина; 5 кор-
пус верхнего подшипникового узла; 6 — вал;
7 корпус; 8— нижний ГСП 9 — рабочее
колесо, 10— направляющий аппарат
Рис. 8 8 Диаграмма струйного термона
coca;
3 и 4 — точки обратимого смешения потоков
с параметрами точек 2. 6, 5 и 1 соответст-
венно- Vir-2. Ahs-б. ДЛз_« — кинетическая
энергия горячей среды в точке 6 и смеси сред
в точке 3; \si-2. As's-e, Asj-i-b Ахз-ц.
Vvno.,„— приращения энтропии s в процессах
1 ~2. 5—6 2—3—б, 3—4 и полное (суммар-
ное) соответственно; стрелками указаны на-
правления процесса в цикле (остальные обо-
значения даны в тексте)
Рис. 8.9. Схема проточной части термо
насоса.
d, диаметр сопла; d„.< диаметр камеры
смешения, внешний диаметр; L„ дли-
на насоса
330
вода, расширяясь в двухфазную область при давлении в точке 2, под действием
перепада энтальпий приобретает некую кинетическую энергию. К паровой
смеси в точке 2 подводится холодная питательная вода, получившая ускорение
в сопловом аппарате (точки 5, 6) под действием перепада давления (давление
в точке 6 приблизительно равно давлению в точке 2*) Образующаяся смесь
после торможения потока в точке 4 имеет давление, намного превышающее
давление насыщенной воды на входе в термонасос Суммарное сопротивление
контура не должно превышать разности давлений холодной питательной и го-
рячей воды. Эффективность термонасоса зависит от постоянства расхода насы-
щенной воды при данном давлении (температуре) и не зависит от глубины
сепарации воды от пара. Конструкция термонасоса проста, он имеет малую •
массу и габаритные размеры и, что ценно, в нем отсутствуют подвижные детали
(рис. 8.9). Насос можно встроить в любую опускную трубу. Основные характери-
стики термонасосов приведены в табл. 8.1.
Таблица 8.1
Расход воды, т/ч dr dK. с d.,, Масса, т
500 83 130 260 5,2 3,5
200 59 92 185 3.7 1.0
Таблица 8.2
Параметр Частота вращения при (2 = 20 000 м’/ч; // = 100 м
1000 об/мин 1500 об/мин 3000 об/мнн
Диаметр ра- бочего ко- леса, мм 1150 750 585
Диаметр корпуса, мм 2400—3000 1000 2400 900
Толщина корпуса, мм 200 100—160 60
Масса кор- пуса, т 45—50 20—30 6
Термонасос не потребляет никакой дополнительной энергии, поэтому он мо-
жет рассматриваться как интенсификатор естественной циркуляции. Приме-
нение термопасосов требует тщательной проработки компоновочных решений,
выявления возможности увеличения паросодержания теплоносителя на выходе
из активной зоны, снижения температуры питательной воды до 165° С для
обеспечения необходимого температурного напора.
АЭС с реактором ВВЭР-1000. Для некипящих реакторов,
работающих с водой под давлением, характерна более высокая
подача при относительно малом напоре. Из расчетов следует,
что при подаче 20 000—30 000 м3/ч (именно такая подача ГЦН
современных и перспективных реакторов ВВЭР) частоте враще-
ния 3000 об/мин соответствует насос осевого типа. С увеличе-
нием частоты вращения вала ГЦН значительно снижаются раз-
* В действительности давление в сопловом аппарате может быть равным или
меньшим, чем в самом реакторе.
331
Рис. 8.10 Схема проточной части ГЦН раз-
личных типов на параметру реактора
ВВЭР 1000.
а — центробежный насос; б осевой насос; в.
г но.чуосевые насосы
меры и масса агрегата, а следовательно, и стоимость изготовле-
ния ГЦН На рис. 8 10 и в табл. 8 2 приведены размеры основ-
ных элементов ГЦН на различные частоты вращения, а также
массы их корпусов применительно к параметрам реактора
ВВЭР-1000 [7. 8Ц
Но оценочным данным, стоимость ГЦН осевого типа может
быть в 2—2,5 раза ниже стоимости центробежного ГЦН. а
уменьшение размеров деталей насоса значительно облегчает их
промышленное изготовление Вместе с тем нельзя недооценивать
трудностей, неизбежных при разработке ГЦН этого типа На-
сколько сложна проблема создания осхвых ГЦН, показывает
опыт работы западногерманской фирмы KSB со встроенными
осевыми насосами с уплотнением вала на подачу 6120 м3/ч
и напор 27,6 м для реакторов BWR. При разработке и конструи-
ровании этих ГЦН применяли только проверенные элементы
конструкции, и особое внимание уделялось тому, чтобы комби-
нации элементов конструкции ГЦН также имели бы проверенный
необходимыми испытаниями образец [9] Несмотря на столь про-
думанный подход, осевые ГЦН позднее были вновь усовершен-
ствованы в целях повышения надежности, упрощения монтажа
и технического обслуживания [10].
Проработки осевых насосов для ВВЭР можно вести по не-
скольким направлениям Рассмотрим три из них. Эти конструк-
ции имеют унифицированную проточную часть (коэффициенты
быстрохопнисги ns = 885) и отличаются исполнением верхнего и
332
9
10
11
TWzzt
Вход боды
Охлаждающая
вода
8
Вход охлаждав
нищей воды
Выход
воды
7
6
Рис. 8 11. Схема осевого
I ЦН реактора ВВЭР-lOOu
(вариант I)
/ рабочее колесо; 2 8 —
радиальные гидростатиче-
ские подшипники; 3 — вин
товой насос, 4 вал; 5
6
та;
10.
ника
насос, 4 вал;
холодильники. 7 — пя-
9 — уплотнение вала
1I колодки нодпят-
333
нижнего радиальных, а также осевого подшипников
Схема ГЦН с опорами вала, работающими на перекачивае-
мом теплоносителе, и механическим уплотнением вала с чистой
запирающей водой представлена на рис. 8.11. Вертикальный вал
4 направляется двумя радиальными дроссельными ГСП 2 и 8
Нижний ГСП питается горячей водой с напора осевого рабо-
чего колеса / при помощи винтового насоса 3 с многозаходны-
ми резьбовыми втулками, а слив из подшипника организован
на всасывание рабочего колеса по каналам, выполненным в его
ступице. Верхний радиальный ГСП питается охлажденной кон-
турной водой от импеллера, выполненного заодно с пятой 7.
В подшипниках применима пара трения сталь по стали Осевая
сила воспринимается двухсторонним гидростатическим осевым
подшипником, работающим на охлажденном теплоносителе.
Элементы, образующие пары трения, изготовлены из силициро-
ванного графита. Самоустанавливающиеся колодки снабжены
ребрами качания и опираются на рессоры Для снятия тепла, вы-
деляющегося в осевом и верхнем радиальном ГСП, в корпусе
ГЦН встроен трубчатый холодильник 6. Поток воды из пяты-
импеллера сначала попадает на осевой подшипник, затем в
верхний радиальный ГСП, после чего, проходя через трубчатый
холодильник, охлаждается, поступает в зазор между валом и
корпусом ГЦН, снимает тепло с вала и вновь попадает в пяту-
импеллер Такая система циркуляции позволяет поддерживать
постоянной температуру (примерно 70° С) в полости пяты, пре-
дохраняя тем самым уплотнение вала от воздействия высокой
температуры со стороны проточной части ГЦН. Между полостью
пяты и проточной частью расположен тепловой барьер, пред-
ставляющий собой каналы, засверленные в корпусе ГЦН. Через
трубчатый холодильник 6 теплового барьера циркулирует вода
промежуточного контура, имеющая на входе температуру при-
мерно 45° С В верхней части ГЦН размещено уплотнение вала,
представляющее собой блок из трех пар торцовых уплотнений,
работающих на холодной запирающей воде. Первая ступень
предотвращает протечки запирающей воды в контур с перепадом
давления на нем около 2 МПа, вторая ступень предотвращает
протечки в атмосферу и работает под полным давлением запи-
рающей воды, а третья ступень является резервной и автомати-
чески включается в работу в случае выхода из строя второй
ступени уплотнения.
На рис. 8.12 представлен вариант конструкции ГЦН с ниж-
ним радиальным дроссельным ГСП, верхним радиально-осевым
масляным подшипниковым узлом и уплотнением вала, работаю-
щим на контурной воде. Для обеспечения необходимой грузо-
подъемности подшипника, как и в предыдущем варианте, преду-
смотрен винтовой насос для его питания.
Вода подается в ГСП последовательно с напора осевого ко-
334
Рис. 8.12. Осевой ГЦН для реактора ВВЭР-1000 (вариант II):
1 — корпус; 2—рабочее колесо, 3—направляющий аппарат; 4— гидростатический
подшипник; 5 — колено; 6 — холодильник, 7 — уплотнение вала; 8 — радиальный под-
шипник; 9— пята; 10, 14—колодки подпятника; II—торсион, 12—зубчатая полу-
муфта. 13—роюр электродвигателя
335
леса и винтового насоса в зазор между валом и кожухом,
а затем по каналам в направляющем аппарате через дроссели
в рабочие камеры ГСП, после которых сливается на всасыва-
ние рабочего колеса через специальные каналы в его ступице
Верхний радиальный 8 и осевой подшипники насоса работают
на масле и скомпонованы в отдельный съемный блок Втулка
радиальною подшипника изготавливается из углеродистой стали
с наплавкой поверхности трения баббитом Б-83 На валу ГЦН
устанавливается ответная сменная втулка из стали 40 Пята
зафиксирована на валу коническими кольцами и шпонками
Осевой подшипник аналоючен осевому подшипнику предыду-
щего ГЦН и может иметь традиционную конструкцию (см. гл. 3).
Циркуляция масла обеспечивается масляной системой.
Механическое торцовое двухступенчатое уплотнение вала 7,
работающее на контурной воде, для удобства монтажа и демон-
тажа скомпоновано в отдельный блок. Нижняя ступень уплотне-
ния функционирует при перепаде давления между контуром и
ионообменным фильтром установки, верхняя ступень—при
перепаде примерно 2 МПа и является разгруженной резервной
ступенью. В случае выхода из строя нижней ступени на полном
перепаде оказывается верхняя ступень уплотнения. Протечки
активной воды после верхней ступени уплотнения и протечки
масла из радиально-осевого подшипникового узла сливаются в
технологические резервуары установки Наличие свободного
слива после верхней ступени уплотнения и давления масла в
полости верхнего подшипникового узла позволяют исключить
выход активной воды и аэрозолей в помещение установки. Ме-
жду проточной частью I ЦН и блоком уплотнения установлен
тепловой барьер (холодильник 6). предотвращающий воздейст-
вие тепла на уплотнение вала Передача крутящего момента
от электродвигателя к насосу осуществляется торсионной муф-
той, состоящей из зубчатой полумуфты 12 и торсиона //, ко-
торый выполняет роль гибкого элемента и одновременно являет-
ся дистанционирующеи проставкой, позволяющей проводить
замену блоков уплотнения вала и верхнего радиально-осевого
подшипника без демонтажа электродвигателя.
Рабочее колесо 2 осевою типа, открытое, с четырьмя лопат-
ками может быть изготовлено из литеиной стали и крепиться
на валу при помощи конусных втулок, прижимного фланца,
шпилек Направляющий аппарат 3 и напорное колесо 5 — литые.
Валы в обоих вариантах «жесткие», двухопорные.
ГЦН, схема которого показана на рис. 8.13, отличается от
предыдущих двух вариантов тем, что вал его трехопорныи- две
опоры — в приводном электродвигателе и одна (радиальный
самоустанавливающиися ГСП) — в насосе. Такая конструкция
имеет повышенный КПД (не менее 80%) и наименьшую массу
(около 19 500 кг) Устойчивый чертеж осевого I ЦН по любому
336
Рис. 8 13. Схема
осевого ГЦН
реактора ВВЭР-
1000 (вариант
HI).
J — корпус; 2 —
рабочее колесо:
3 направляю-
щий аппарат; 4 —
самоустанавлива-
ющийся гндроста
тнческий подтип
ник 5 — уплотне-
ние вала; 6 — сое-
динительная муфта
337
22-173
Рис. 8.14. Установочный чертеж осевого ГЦН реактора ВВЭР-1000:
1 подводящий патрубок; 2 электродвигатель; if виброгаситель; 1 — выемная
часть, 5 — шаровая опора
из трех вариантов показан на рис. 8.14.
Проработки по осевым ГЦН на большую подачу показали,
что для их создания неполностью решены следующие проблемы:
вопросы, связанные с прочностью, эрозией, КПД и кавитацией
проточной части; с совершенствованием методики расчета корпу-
сов насосов, с вибрацией и прочностью подшипниковых опор;
с выбором перспективных материалов пар трения уплотнений.
338
При этом следует заметить, что ГЦН с уплотнением вала, по-
видимому, не в полной мере отвечает требованиям АЭС с повы-
шенной безопасностью. Действительно, наличие вспомогательных
систем ГЦН с уплотнением вала, как правило, требует вспомо-
гательного обслуживания при определившейся в настоящее время
тенденции размешать все оборудование первого контура в необслу-
живаемом при работе реактора помещении. Выполнение этого
условия затруднительно по условиям доступности. Поэтому при-
менение герметичных ГЦН, исключающих протечки теплоноси-
теля, безусловно, предпочтительнее (даже с учетом неизбежного
снижения КПД). Но создание герметичных ГЦН с подачей,
необходимой для современных АЭС,— самостоятельная техниче-
ская проблема, решению которой уделяется значительное вни-
мание как в СССР, так и за рубежом.
Из сказанного следует, что при создании быстроходных
ГЦН только успешное решение названных выше проблем в целом
(по компоновке) и по отдельным узлам позволит создать надеж-
ные насосы большой подачи для АЭС.
ГЦН реакторов на быстрых нейтронах. Накопленный опыт
проектирования и эксплуатации реакторов с натриевым теплоно-
сителем будет использован при вводе в строй реакторов на
быстрых нейтронах мощностью более 1000 МВт — CFR (Вели-
кобритания), «Super Phenix» (Франция), SNR-2000 (ФРГ),
БН-1600 (СССР). Для съема тепловыделения в таких реакторах
необходимы ГЦН с подачей 20 000—40 000 м3/ч. Впервые про-
работки насосов первого и второго контуров на столь высокую
подачу осуществила фирма «Westinghouse Electric» (США)
(рис. 8.15, 8.16). Назначение насосов — съем тепла в реакторе
электрической мощностью 4000 МВт. Число петель в установ-
ке— шесть. Основные характеристики ГЦН приведены в
табл. 8.3.
ГЦН представляют собой вертикальные одноступенчатые
центробежные агрегаты со свободным уровнем натрия. После ра-
бочего колеса в насосе первого контура теплоноситель посту-
пает в улитку, а в насосе второго контура — в направляющий
аппарат. Перед рабочим колесом насоса второго контура уста-
новлены на всасывании четыре ребра для исключения закрутки
потока. Уплотнение напорной камеры от зоны всасывания осу-
ществляется точной посадкой и уплотнительными кольцами.
Рабочее колесо гидравлически разгружено от осевой силы. Вал
насоса вращается в двух опорах. Нижней опорой является само-
устанавливающийся ГСП, верхней — радиально-осевой ГДП, ра-
ботающий на масле |6, гл. 2].
Система смазки верхнего подшипникового узла — открытая
(типа «масляная ванна»), с охлаждением масла встроенным
трубчатым водяным холодильником. Радиальный подшипник со-
вмещен с диском упорной пяты. Такая конструкция верхней
339
реактора
муфта.
Рабочий,
уровень
Выход
Na
2
3
ч
5
2
Ч
6
9
Выход Na
-3
Рабочий.
уровень
Вход Na
Рис 8 15 Схема ГЦН первого контура
фирмы «Westinghouse Electric»:
/ — электродвигатель. 2 — соединительная
3 — пята; 4 — вал; 5 — биологическая зашита; 6 — теп-
ловой экран; 7—вытеснитель; 8 — гидростатический
подшипник; 9 — рабочее колесо
Рис 8 16 Схема ГЦН второго контура реактора
фирмы «Westinghouse Electric»:
/— электродвигатель; 2- пята; 3— уплотнение вала;
4 — тепловой экран; 5 — вытеснитель 6 — напорное
колено; 7—направляющий аппарат 8—ГСП. 9—
рабочее колесо
340
Т а б л и ц а 8.3
Параметр Насос первого контура Насос второго контура
Подача, м3/ч 39 000 30 000
Температура перекачиваемой среды, °C 550 327
Давление на всасывании, МПа 0,14 0 52
Напор, м 90 32
Диапазон регулирования частоты вращения, % 50 100 50—100
Давление газа в уплотнении. МПа 0—0,007 0—0,7
Длина вала, м 15 15
Толщина биологической зашиты, м 1.5 —
Диаметр всасывающего патрубка, м 1,2 1.2
Номинальная мощность электродвигателя. кВт 7360 2400
Частота вращения вала, об/мин 450 600
КПД насосного arpeiaTa, % 85 83
Материал (за исключением подшипника) Сталь 304
опоры обладает простотой и высокой надежностью. Для исклю-
чения выброса активного газа в атмосферу предусматривается
сильфонное уплотнение вала по газу. В качестве запирающей
среды используется чистый аргон. Ремонтное уплотнение про-
ектом не предусматривается. Для уменьшения притока тепла в
сторону верхних узлов вал насоса выполнен полым.
Биоло! ическая защита представляет собой пробку из серпен-
тинитового бетона высотой 1,5 м. Поддержание уровня натрия на
постоянной отметке в ГЦН обеспечивается линией слива проте-
чек с сепарационной системой исключающей попадание газа в
контур. Протечки натрия сливаются в бак реактора. В выемной
части имеются щитки тепловых экранов, уменьшающие приток
тепла к защитной пробке и верхним фланцам. Традиционно вы-
емная часть извлекается без резки основных трубопроводов,
причем обеспечивается полный дренаж системы.
В насосе первого контура предполагается в напорном пат-
рубке установить обратный клапан, который остается приот-
крытым при остановке насоса. В клапане могут быть просвер-
лены отверстия для обеспечения небольшого обратного потока,
' необходимого по условиям эксплуатации.
Приводом ГЦН служит электродвигатель с фазным ротором.
Система смазки подшипников электродвигателя — открытая
[20, гл. 3].
В СССР также ведутся проработки по созданию промыш-
ленного реактора на быстрых нейтронах электрической мощ-
ностью 1600 МВт и насосного оборудования к нему [И]- Рас-
сматриваются две компоновки реактора (на три и шесть петель).
ГЦН в обоих случаях установлен на «холодной» стороне кон-
тура.
Подпор на всасывании ГЦН при заданных значениях подачи
рабочего колеса и напора является определяющей характерис-
341
23-173
Рис 8.17 Зависимость частоты вращения вала и наружного диаметра колеса
насоса от подачи и числа потоков (а) и конструкционные схемы организации
потоков в насосе при различном их числе < (б)
тикой, влияющей на характер проточной части и, главное, па
выбор частоты вращения вала. Рис. 8.17 достаточно наглядно
иллюстрирует в первом приближении размеры проточной части
в зависимости от частоты вращения вала при заданном подпоре
рабочего колеса [ 12}. На рис. 8.18 показаны схемные варианты
решения одно-, двух- и четырехпоточных проточных частей.
Из анализа следует, что увеличение количества параллельных
потоков в проточной части ГЦН приводит к увеличению допу-
стимой (из условий бескавитационной работы) частоты враще-
ния вала, в результате чего можно получить существенный вы-
игрыш в габаритных размерах ГЦН и его стоимости В этом
смысле четырех поточная схема имеет выигрыш в стоимости око-
ло 30% по сравнению с двухпоточной конструкцией и около
20% по сравнению с однопоточной Однако увеличение числа
параллельно работающих ступеней приводит к увеличению кон-
соли вала и, кай следствие, к трехопорнои компоновочной схеме
ГЦН. На рис. 8.19 представлен проект одноступенчатого центро-
бежного погружного I ЦН реактора БН-1600 с однопоточным
рабочим колесом для трехпетлевого варианта первого контура.
Основные характеристики насоса приведены ниже:
Подача, м3/ч .........................................:.... 25 000- 30 000
Напор, м ............—..................................... 90—100
Номинальная частота вращения об/мин 500
Номинальная мощность электродвигателя, кВт ........................ 8000
Температура перекачиваемой среды, °C ............................... 400
Давление на всасывании колеса, МПа . Не менее 0 15
Длина вала, м ....................................................... 10
Толщина биологической защиты, м .... ...... 1.5
Диаметр всасывающего патрубка, м ........... 1.1
342
Рис 8 18 Схема одно- (а), двух- (б) и четырехпоточных (в) ГИН
Z — электродвигатель; 2 — соединительная муфта; 3 — осевой подшипник 4 радиаль-
ный ГДП 5 — уплотнение вала 6— кессон; 7 — биологическая защита. 8 вал,
9— ГСП 10— рабочее колесо; 11 — диффузор. 12 — обратный клапан
Ожидаемый КПД агрегата, % ..........................................................
Материал (за исключением подшипника)
Масса, кг ......................................................... -...........
83—85
Сталь Х18Н9
120 000
343
Вход Na
Рис. 8.19. Схема ГНИ первого контура реактора БН 1600:
I — электродвигатель; 2 уплотнение вала; .3 — вал; 4 ГС. 11
После рабочего колеса теплоноситель попадает в направля-
ющий аппарат и далее в коллектор. Направляющий аппарат
частично извлекается вместе с выемной частью при ремонте.
344
345
Уплотнение полости нагнетания от полости всасывания достига-
ется уплотнительными кольцами. Вал ГЦН вращается на двух
опорах. Нижней опорой 4 является ГСП, верхней — сдвоенный
роликовый подшипник, воспринимающий массу ротора Смазка
роликового подшипника — консистентная. Герметичность по валу
обеспечивается двойным механическим уплотнением 2 с масля-
ным гидрозатвором. Ремонт верхних узлов (подшипники, уплот-
нение вала по газу) проводится без разгерметизации контура за
счет ремонтного уплотнения известной конструкции.
Таблица 84
Частота вращения п, об/мин Коэффици- ент быстро- ходности л. Необходи- мый напор на всасыва нин АЛКр, МПа Наружный диаметр рабочего колеса Dt, м Максимально возможный диаметр про- точной части Цпр ч. М Примечание
1500 320 0.62 0,8 2,0 Кавитационный ко-
1000 218 0.36 1,0 2.5 эффициент С принят
750 162 0.23 1.3 3.2 равным 800
500 НО 0,15 1.8 4.5
375 81 0,09 2.3 5.7
Пробки из листов стали и серпентинитового бетона с полостя-
ми для подачи охлаждающего газа выполняют роль биологиче-
ской защиты. В качестве главного привода применен электро-
двигатель с переменной частотой вращения. Оптимизация про-
точной части ГЦН на подачу 25 000 м3/ч, напор 100 м и частоту
вращения вала 375, 500, 750, 1000 и 1500 об/мин (табл 8.4)
показала, что для уменьшения габаритных размеров предпочти-
тельнее вариант на 1500 об/мин. Но для этого необходимо под-
держивать значительное давление газа в контуре, что ведет к
существенному увеличению массы всей-установки, появляются
трудности в уплотнении поворотных пробок реактора и т. п.
Компромиссный вариант, вероятно, соответствует частоте
500 об/мин, так как дает удовлетворительные значения подпора
и габаритных размеров проточной части. Для этого варианта
можно рекомендовать и более совершенные проточные части
Конструкция, показанная на рис. 8.20, обладает небольшим со-
противлением всасывания и довольно высоким гидравлическим
КПД Недостаток конструкции — относительно сложный отвод
рабочей среды от напорного коллектора. Проточная часть, пока-
занная на рис. 8 21, лишена этого недостатка, но менее техноло-
гична. Вполне понятно, что предложенные проекты проточных
частей ГЦН первого контура не являются исчерпывающими и
возможны другие концепции в целях выбора рационального ва-
рианта для уменьшения ее габаритов, повышения кавитационных
качеств и улучшения технологии изготовления.
346
8.4. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ
Рассмотренные проектные схемы циркуляционных ГЦН и их
обслуживающих систем соответствуют предъявляемым требова-
ниям и отличаются простотой, надежностью и легкостью обслу-
живания. Изготовление таких сложных сборок, как рабочие коле-
са для всех типов ГЦН, литых улиток, валов, направляющих
аппаратов и т. п., ведется с высокой степенью точности и соблю-
дением существующих программ обеспечения качества энер!ети-
ческого оборудования.
При механической обработке деталей и сборок используются
современные технические приемы Например, для получения
шероховатостей Ra 0,32 и Ra 0,16 на подшипниковых шейках
валов, наплавленных стеллитом, в отечественных ГЦН использу-
ется торцовое шлифование чашечными абразивными кругами
с зерном из эльбора и алмаза
На станках с программным управлением освоена чистовая
.механическая обработка лопаток направляющих аппаратов, а
также некоторых типов рабочих колес
Прошли проверку временем технологические процессы сборки
и разборки уникальных по габаритным размерам ГЦН реакто-
ров БН, РБМК и ВВЭР с помощью простейших траверс и кра-
нов Практика показала, что весьма желательно, чтобы габарит-
ные размеры механически обрабатываемых деталей ГЦН не пре-
вышали 2,5 3 м по диаметру и около 3 м по высоте
Зарубежные насосостроительные фирмы ради экономии вре-
мени и средств па освоение АЭС и улучшения их показателей
широко осуществляют закупку отдельных хорошо зарекомендо-
вавших себя узлов. Так, заготовки проточных частей для ГЦН
реактора PFR были поставлены швейцарской фирмой «Georg
Fischer», славящейся высоким качеством и чистотой литья. Мно-
гие другие фирмы (например, чехословацкая SIGMA) также
способны выполнять литые детали проточной части (рабочее
колесо и направляющий аппарат) по выплавляемым моделям с
высокой чистотой рабочих поверхностей, нс требующие дальней-
шей механической обработки.
Целый ряд фирм специализируется на экспорте уплотнений
вращающихся валов («Burgmann», «Champlain» и др.).
Еще более распространенной формой коммерческих сделок
являются лицензионные соглашения Они дают покупателю право
производства и реализации продукции, обеспечивают ему доступ
к чертежам и техническим условиям разработчика, предусматри-
вают помощь в налаживании производства.
Поддержание высокого технического уровня требует непре-
рывной работы не только по улучшению качественных характери-
стик ГЦН, разработке новых более прогрессивных конструкций.
347
a)
в)
8 22 Схема корпуса ГЦН
Рис
реактора РБМК с эллиптическим
днищем (а), кованого (б) и со сфе-
рическим днищем (в)
/— напорный патрубок 2 обечай-
<г-1 ка 3 — днище; -I всасывающий
°) патрубок
но и по обеспечению требований технологичности их изготовле-
ния *.
В этой связи можно заметить, что при разработке таких
крупных ГЦН, как насосы реакторов РБМК и БН, тщательно
рассматривались вопросы технологического порядка, связанные,
в первую очередь, с изготовлением корпусов.
Характер решаемых технологических проблем, степень их сложности можно
проследить на примере создания ГЦН реактора РБМК Корпус ГЦН в перво-
начальном варианте (рис 8.22. а) состоял из эллиптического днища 3 с толщиной
стенки 110 мм, обечайки 2, подводящею -4 и напорного / патрубков Штампован-
ная заготовка эллиптического днища серийно изготовлялась одним из машино-
строительных заводов
В начальной стадии проектирования основное внимание было уделено выбору
материала для корпуса насоса и крышки с горловиной. Рассматривались сле-
дующие материалы нержавеющая сталь XI8H10T, углеродистая сталь 22К, теп-
лоустойчивая сталь 48ТС
Для изготовления деталей корпуса насоса из стали 22К требуются поковки
массой до 40 т (масса слитка 76 т) с толщиной стенки до 600 мм Поковка из
слитка массой 76 т обычной выплавки в имеющихся размерах не обеспечивает
* В данном случае имеются в виду освоение и внедрение прогрессивных техно
логических процессов отвечающих современным требованиям в технологии изготов
лення (заготовка механическая обработка сборка и т п ).
348
100%-ной годности при ультразвуковой дефектоскопии Из слитков электрошла-
кового переплава можно отковать поковку массой до 25 т, но трудно гаран-
тировать в данных сечениях необходимые механические свойства В случае изго-
товления деталей корпуса насоса из стали 22К (вместо стали 48ТС) увеличи-
вается расход металла по слитку на 6 т на каждую деталь. Учитывая это. а также
худшие механические свойства (в 2 раза ниже, чем у стали 48ТС), что привело бы
к значительному увеличению массогабаритных характеристик, от стали 22К
отказались.
Прочностные характеристики стали XI8H10T в 2 раза ниже характеристик
стали 48ТС, что значительно увеличивает массу и габаритные размеры деталей,
изготовляемых из стали X18HI0T Сталь Х18Н10Т более дорогостояща, чем сталь
48ТС Кроме того, по температурному коэффициенту линейного расширения она
не соответствует материалу остальных деталей ГЦН. Масса поковки для обечайки
бака 41 т, масса слитка 76 т Изготовление слитков и поковок указанной выше
массы из нержавеющей стали представляет определенную сложность Поэтому
эта сталь также была отклонена
Сталь 48ТС имеет высокие механические свойства Предел текучести при
температуре 350' С составляет 400 МПа Для поковок массой до 41 т гаранта
руется высокое качество металла. Повышенная коррозионная стойкость внутрен
ней поверхности обеспечивается наплавкой нержавеющей сталью. Процесс
сварки и наплавки стали 48ТС выполняется с подогревом, он хороню освоен
в промышленности, и поэтому для изготовления корпуса и крышки с горловиной
была выбрана именно эта сталь
Применение для изготовления днища 3 плакированного листа осложняется
тем, что технология штамповки днищ из них не всегда обеспечивает достаточность
и равномерность толщины плакируемого слоя после штамповки
После выбора марки стали необходима отработка корпуса на технолошч-
ность Напорный патрубок 1 к корпусу приваривался по касательной. В местах
стыковки напорного патрубка поверхность корпуса имела сложную геометриче
скую форму — сопряжение эллипса с конусом Периметр сварного шва патрубка
более 3,5 м. сечение шва 120 мм Патрубок приваривался через наплавку вруч-
ную, ибо сложная конфигурация сварного шва не позволяла применить авто-
матическую сварку. Наплавка и сварка велись при температуре до 300" С Есте-
ственно, в таких условиях трудно получить качественный шов
Была предложена новая технология изготовления корпуса и разработана
соответствующая конструкция. Изменения в конструкции (рис. 8 22, б) заключа-
лись в том, что напорный патрубок был откован заодно с обечайкой, а всасы-
вающий — с днищем Число сварных швов в изделии снизилось с трех до
одного При этом возросла трудоемкость изготовления корпуса, что обусловлено
увеличением массы заготовки обечайки до 140 т (вместо 90 т), собственной массы
корпуса на 5 т и объема механической обработки
Данный корпус удовлетворял всем требованиям по надежности и качеству,
но был. очевидно, неоптимален в отношении технологичности. Поэтому с появле-
нием нового станочного оборудования был предложен новый вариант корпуса
(рис. 8 22, в) со сферическим днищем, в котором все приемы сварки и наплавки
автоматизированы, включая и приварку напорного патрубка. Конструкция техно-
логична и заметно дешевле предыдущей. В настоящее время успешно ведется
349
Рис. 8.23. Общий вид серийного корпуса ГЦН реак-
тора РБМК
серийное изготовление таких корпусов Общин вид одного из них показан на
рис 8.23.
Дальнейшее сокращение трудоемкости изготовления, расхода металла и,
следовательно, цикла изготовления можно достигнуть, если выполнять корпус
полностью литым. Техническая возможность такого решения вполне реальна.
Швейцарская фирма для ГЦН АЭС предлагает отливки из легированной стали
массой 32,5 т. При этом гарантируется 100%-ныи рентгенокоптроль Технология
позволяет получить отливки высокого качества массой до 50 т. Требуется только
чистовая механическая обработка со съемом металла не более 3- 5 мм.
Однако в этой связи следует учесть опыт автрийской фирмы «Andritz»,
достаточно тщательно изучавшей этот вопрос [14]. Для ГЦН, поставляемых это»
фирмой, изготавливаются корпуса кованосварные (сталь 20V\nMoNi55) и литые
(сплав GSINiMoCr37) с приваркой всасывающего, напорного патрубков и
опорных лап Внутренние поверхности корпуса наплавляются электродом из
аустенитной стали (60% всей поверхности автоматически, остальные 40% —
вручную)
В ходе многолетней практики сооружения ГЦН фирма была вынуждена
приступить к разработке кованого корпуса. Дело в том, что корпуса ГЦН
должны в процессе эксплуатации периодически подвергаться контролю, длитель-
ность которого зависит от числа сварных швов Эти затраты времени входят
350
ir’J 'ilil' : ^•'v-г- ।
в оценку коэффициента простоя оборудования во время планово-предупреди-
тельного ремонта и в сравнении с затратами на проверку других конструкций
являются весьма значительными В данном случае анализ экономичности в
процессе эксплуатации ГЦН (при условии обеспечения требуемой безопасности
для любой конструкции) играет решающую роль
Другим ответственным и металлоемким узлом ГЦН является
крышка с горловиной (см. рис 5 13, поз. 3)у внутренняя поверх-
ность которой наплавлялась (на первых экземплярах) трехслой-
ной антикоррозионной наплавкой толщиной 20 мм с послойным
контролем, что в общем технологическом цикле занимало много
времени Замена трехслойной наплавки двухслойной толщиной
8 мм не отразилась на качестве и позволила снизить трудо-
затраты.
На первых двух блоках Ленинградской АЭС весь насос мон-
тировался на фундаментной раме, составленной из двух половин.
Из-за большой металлоемкости рама не могла быть отлита из
одной плавки; по габаритам она не проходила в печь Ьля термо-
обработки, а также не могла быть доставлена к месту назначе-
ния железнодорожным транспортом При сборке этих половин на
площадке снимался значительный слой металла с опорных лап
корпуса.
. Центрирование корпуса насоса относительно фундаментной
рамы и передача момента от трубопроводов КМПЦ проводи-
лись за счет радиальных шпонок с цилиндрическими штифтами.
Благодаря внедрению последней конструкции корпуса (рис.
8.23) за счет меньшего диаметра по опорным лапам уменьшились
габаритные размеры фундаментной рамы и появилась возмож-
ность изготовлять ее монолитной и меньшей массы. Штифты,
крепящие шпонки, заменили сваркой
Следует отметить, что цикл технологической доводки конст-
рукции ГЦН при серийном изготовлении может быть растянут
во времени, что, естественно, невыгодно. Его можно значительно
сократить при более тщательной технологической оптимизации
конструкции в процессе проектирования Например, блочная за-
мена узла уплотнения во всех ГЦН на определенном этапе без-
условно была прогрессивным решением, так как заметно упроща-
лась технология замены и ремонта Однако в отношении рацио-
нального использования металла это, очевидно, не было опти-
мальным решением. Было бы разумнее в случае ремонта остав-
лять прочно-плотный корпус уплотнения на месте, а менять
только «начинку», разместив ее в легком сборочном корпусе или
связав ступени между собой специальными технологическими
подвесками. В этом случае уплотнения, идущие в запас или для
ремонта, не нуждаются в металлоемком корпусе, масса которого
составляет примерно 80% массы всей сборки
Для замены узла уплотнения или верхнего подшипника тре-
буется провести хотя и не сложные, но трудоемкие операции по
351
снятию и установке двигателя, а затем повторную центровку ро-
тора двигателя и вала насоса при сборке. Проставка между на-
сосом и электродвигателем — характерная деталь для большин-
ства зарубежных I ЦН — упрощает эту операцию.
Для жилкометаллических ГЦН изготовления валов (особенно
режимы их термообработки) являются очень ответственными
операциями, так как валы при значительным линейных размерах
склонны к температурным искривлениям. Поэтому вал насоса
выполняют полым, из нескольких частей, что дает следующие
преимущества:
меньшие масса и длина;
наибольшая стабильность по отношению к резким темпера-
турным изменениям;
большая сопротивляемость перекосам при возникновении тем-
пературных перепадов;
уменьшение теплового потока в сторону верхнего подшип-
ника и уплотнения вала
Валы насосов после сварки подвергают высокотемпературно-
му отпуску при 600—800° С для снятия внутренних напряжений
Для снятия наклепа после предварительной механической обра-
ботки вал вторично подвергается термообработке—низкотемпе-
ратурному отпуску при 300—400 С.
Сварные швы после чистовой механической обработки про-
веряются с помощью цветной или люминесцентной дефектоско-
пии и гелиевого течсискателя.
Особое внимание при эксплуатации следует обратить на
вибрацию, периодически возникающую на отдельных I ЦН [15].
Предупредить возникновение вибрации намного ле>че, чем найти
после ее возникновения вызвавшие ее причины, устранить их и
ликвидировать последствия. Проблема устранения общей вибра-
ции машин тесно связана с задачей уравновешивания быстровра-
щающихся роторов Если ось вращения твердого тела совпадает
с одной из его главных осей инерции, то вращающееся тело не
будет оказывать никакою переменного возмущающего действия
на опоры Однако в процессе изготовления ротора очень трудно
точно удовлетворить этому требованию вследствие отклонении
геометрических размеров, неоднородности материала, а также
некоторой несимметричности в распределении масс относительно
оси вращения.
В результате вращения такого ротора на его опоры будут
действовать переменные возмущающие силы, которые вызывают
вибрацию ГЦН с частотой, равной частоте вращения.
Таким образом, уравновешивание вращающихся валов
I ЦН — одно из важнейших мероприятий, способствующих
уменьшению вибрации насоса
Вал насоса со всеми вращающимися деталями должен быть
динамически отбалансирован в двух плоскостях — в плоскости
352
рабочего колеса и какого-либо элемента верхнего подшипника.
Для удобства балансировочные грузики должны легко ставиться,
перемещаться и не менять своего положения после окончатель-
ного закрепления. Рабочее колесо, как правило, проходит предва-
рительную статическую балансировку Вибрация на насосе мо-
жет возникнуть и в результате неуравновешенности, вызываемой
разбалансировкой элементов конструкции в рабочих условиях
вследствие ряда причин [16]. Отмечаются случаи возникновения
вибрации из-за расцентровки вала насоса и ротора электродви-
гателя, составляющих агрегат, в результате появления дефектов
в соединительной муфте или разрушения вала.
Фирма «Babcock and Wilcax» разработала систему контроля и диагностики
состояния ГЦН ядерных реакторов. Для контроля вибрации вала, подшипников
и привода используют бесконтактные датчики перемещения и акселерометры
На основании специальных датчиков система диагностики оценивает состояние
вала насоса и уплотнений а также другие характеристики Данные о вибрации
давлениях, темера гурах и подаче автоматически регистрируются и служат для
оценки изменения основных показателей состояния насоса ]17|. Аналогичные
системы разрабатываются и для отечественных ГЦН.
Муфты не только передают механическую энергию от двига-
теля к насосу. Они выполняют и другие функции, из которых
можно упомянуть следующие:
компенсация небольших монтажных неточностей в относи-
тельном расположении соединяемых валов;
компенсация смещения геометрических осей валов или под-
вижность их во время работы;
ослабление вредного влияния толчков и вибрация при пуске
и работе машины.
Способы соединения валов агрегатов муфтами зависят от
требований, предъявляемых к каждому соединению. Поэтому на
практике используются муфты разнообразных конструкций.
К недостаткам подвижных муфт относят возникающие в процессе
эксплуатации забоины, неравномерный износ, повышенные зазоры
между зубьями (зубчатые муфты) или кулачками (кулачковые
муфты), недостаточную или неодинаковую упругость пакетов, а
также трудность обеспечения при монтаже минимальной непер-
пендикулярности пазов или пальцев (упругие муфты с пальцами)
и т. п. Названные отступления могут вызвать заклинивание муф-
ты. Подвижная муфта как бы превращается в жесткую, изме-
няются критические скорости, возникают резонансные вибрации.
Важнейшая технологическая операция, от которой во многом
зависит спокойная работа агрегата,— центровка, т. е. приведе-
ние валов в соосное положение по полумуфтам. Следовательно,
муфта должна позволять просто и удобно проводить необходи-
мые операции по установке в процессе эксплуатации.
Например, одной из мер. направленных на снижение уровня вибрации
ГЦН реактора РБМК. является замена эластичной муфты (см. рис. 5 14)
353
торсионной (см рис. 5 15). Верхняя половина эластичной муфты крепится к
нижней плоскости маховика Изменения биения маховика неизбежно приводят
к нарушению центровки залов, что, в свою очередь, увеличивает вибрацию
агрегата. В торсионной муфте крепление выполнено непосредственно к ротору
эл ектродв и гатсл я.
В ГЦН реакторов типа БН использована зубчато-пружинная муфта пере-
менной жесткости, работоспособность которой во многом зависит от качества
выполнения эвольвентных зубьев на полумуфтах и особенно пружин. В целях
улучшения технологичности муфты эвольвентныи профиль з\ба может быть
упрощен, а пружины заменены плоскими пластинами расчетной толщины.
В ряде случаев статическая центровка может не соответство-
вать техническим требованиям и рекомендуется для ГЦН лишь
в качестве предварительной операции. Тогда необходимо опреде-
ление параметров несоосности в динамическом режиме [18] либо
по минимальному уровню вибрации, либо по измеренным пара-
метрам колебаний (специальная методика позволяет расчетным
путем определить место установки на роторе дополнительных
балансировочных грузов).
Практика подтвердила высокую эффективность динамической
балансировки насосного агрегата. Такая возможность должна
быть предусмотрена на всех вновь проектируемых ГЦН
Во всех типах ГЦН выемная часть устанавливается в корпус
(бак), который служит опорой собственно насоса. Задача заклю-
чается в том, чтобы разработать такую конструкцию мест соеди-
нения корпуса и насоса, которая, во-первых, допускала бы
многократное извлечение выемной части и, во-вторых, надежно
уплотняла соединения. В местах разделения теплоносителя вы
сокою и низкого давления (посадка насоса по проточной части)
необходимо иметь минимальные протечки, так как они влияют на
объемный КПД Это уплотнение устанавливается еще и затем,
чтобы обеспечивать довольно значительные различия горизон-
тальных отклонений между корпусом насоса и выемной частью.
Поэтому от конструкции уплотнения зависит степень сложности
монтажа и демонтажа выемной части в корпус, особенно при
различной температуре корпуса выемной части.
В насосе для I и II блоков Ленинградской АЭС патрубок покрывного
диска выемной части охватывал подводящий патрубок корпуса и сопрягался с
ним по точной посадке Чтобы установить холодную выемную часть в разогретый
корпус, необходимо было каждый раз ныемную часть подогревать. Для после-
дующих блоков конструкция этого узла была изменена таким образом, что
охватывающим стал патрубок корпуса, а сопряжение патрубков выполнено
с зазором 1,5 мм. Для уменьшения протечек среды через зазор были установлены
два упругих уплотнительных кольца.
Однако это уплотнение и другие типы соединительных устройств и щелевых
уплотнений не в полной мере удовлетворяют условиям эксплуатации и ремонта,
так как со временем теряют первоначальные геометрические размеры. В част-
ности, в ГЦН реактора БН-350 после нескольких лет нормальной работы уплот-
354
пительные кольца между выемной частью и направляющим аппаратом потеряли
свою упругость, «сели», и протечки через них увеличились. Восстановление гер-
метичности потребовало доработки конструкции
Особо следует остановиться на операциях «подрыва» выемной
части ГЦН. Наличие специальной оснастки для подрыва облег-
чает эту операцию и безопасное ее проведение. Подрыв выемной
части давлением, создаваемым в корпусе ГЦН, может привести
к серьезному ее повреждению. Целесообразно проектировать под-
рывное устройство (в целях экономии времени) на все шпильки,
крепящие корпус, или на половину их. Можно спроектировать
приспособление универсальное, которое будет способно выпол-
нять две функции: подрыв выемной части и затяжку шпилек
основного разъема ГЦН.
Как правило, выемные части транспортируются на монтаж-
ную площадку отдельно от корпусов в горизонтальном положе-
нии. Вал раскрепляется в подшипниках таким образом, чтобы
ударные нагрузки при транспортировании по железной дороге не
передавались на них.
Схема раскрепления анализируется на стадии проектирования
ГЦН с тем, чтобы для этих целей не возникла необходимость
временного демонтажа какой-либо детали конструкции (обте
катель рабочего колеса, элементы крепления пяты и т. н.) в усло-
виях строящейся АЭС.
Опыт создания ГЦН показывает, что возможности для опти-
мизации конструкции ГЦН как с точки зрения схемы, так и с
точки зрения отдельных узлов и характеристик еще далеко не
исчерпаны
Основные характеристики герметичных насосов
Параметр Нововоронежская АЭС (водо-водяной) Белоярская АЭС (графи- то-водяной) Ульянове- кая АЭС* (водяной кипящий)
I блок 11 блок 111 и IV блоки I блок 11 блок
СССР
Число насосов 6 8 6 2 4 3
Подача, м3 ч 5250 5600 6500 940 915 700
Напор, м 62 68 50 145 210 6,2
Частота вращения, об/мин 1460/375 1460/360 1500 3000 3000 3000
Давление на всасыва- нии, Mila 10 10,3 12,5 15,4 14 3—14
Температура на вса- сывании, С 252 252 268 315 309 до 300|
КПД насосного агре- гата, % 52 64 56 52 54 54
Мощность насосного агрегата. кВт 1650 1500 1100 520 750 260
Подводимое напряже- ние, В 6000 6000 6000 6000 6000 6000
Масса агрегата, т 27,8 28 48 9.7 14,3 —
• Аналогичные ГЦН установлены на и ледовательском реакторе СМ 2 в НИИАРе ( Димитр в
гнчные ГЦН установлены на АЭС «Шиппингпорт» (США
Основные характеристики водяных насосов с уплотнением вала
Параметр ВВЭР-410 ВВЭР 1000
СССР
Тип насоса Центробежный Диаго- Осевой *
нальный *
Число насосов 6 4 4 4
Подача, м3/ч 7100 20 000 20 000 20 000
Напор, м 70 92 92 92
Частота вращения, об мин 1500 1000 1500 3000
Давление на всасывании ЧПа 12,5 156 156 15,6
Температура на всасывании. С 270 300 300 300
КПД насосного агрегата, % 76 78 80 75
Мощность насосного агрегата кВт 1900 4800 4200 5000
Организованные утечки, м ч 1,2 0,75 1 2 0.6
Утечки внутрь насоса м3/ч 0.4 0.7 0.8 0.4
Утечки через концевое уплотнение. 0.05 0 05 0,05 —
м3/ч (не более) Подводимое напряжение, В 6000 6000 6000 6000
Масса агрегата, т 42 110 112 70
* Проработки.** Шесть в работе, два в резерве.
356
Приложение 1
(для различных типов реакторов)
тэс-з (водо- водяной) «Bruno Leuschner* (водо- водяной) А-1 (тяжело- водный) «1 ППО» ** (водо- водяной) «Yankee* (водо- водяной) «Ind «п Point* *** (водо водяной) «Dresden» (водяной кипящий)
ГДР ЧССР Италия США
1 3 3 4 4 4/8 4
250 5250 430 5800 5400 3600 4000
5,8 3,8 59 52 72 108 30
3000 1460/360 3000 970 1800 1800 1 184
13 10 6,7 14.2 13.7 10 7
275 250 90 266 260 249 281
50 — — — — —
155 1500/55 155 510 1360 1270 400
6000 6000 — — — — —
— — — — — — —
град) ** Аналогичные ГПН установлены на реакторе АЭ ‘ «Сена» (Франция — Бельгия). *** Лнало-
Приложение 2
(для различных типов реакторов)
РБМК 1000 РЬМК- 1500 ACT 500 ВВЭР- 440 («Loviisa») PWR, «Westing house Electric* BWR «Byron Jackson*
Финлян- дия США
Центробежный
8/6 ** 8/6 ** 3 6 4 4 2 5
8000 8000 2100 7200 20 100 21700 3640 8200
200 200 55 40 88 92.7 23 37
1000 1000 1000 1475 1500 1500 880 820
7,2 7.2 1,2 12.5 15,8 15.8 7,1 7,1
270 270 90 270 289 292 270 277
80 80 80 79 80 80 89 87
4300 4300 390 1100 4480 5220 1000
8 0,025 0 02 05 0,19 0,2 — —
8 0.025 0.16 05 — — — —
0,05 0 01 — — — —
6000 6000 6000 6000 — — — —
107 105 90 34.5 105 87 — 17,6
357
Основные характеристики натриевых насосов первого контура
Параметр Б Р-5* БОР-60 БН-350
СССР
Тип насоса Механический со свободной поверхностью натрия
Число агрегатов 2 2 6
Подача, м3/ч 150 600 3220
Напор, м 50 85 120
Температура перекачиваемой жидкости. °C 430 500 300
Частота вращения (номиналь- ная). об/мин 1450 1500 1000
Мощность приводного электро- двигателя, кВт 28 250 1700
Регулирование Система «Лео- нардо» Двухскорост- пой электро- двигатель
Диапазон регулирования часто- ты вращения, % номинальной — 20 100 25, 100
КПД агрегата. % 60 71 70
Давление газовой подушки, МПа Марка стали Тип уплотнения 10X18 НЭТ Герметичный электродвига- тель 0,01—0.05 0,09
Масса агрегата, т — 69.5 86
• При переоборудовании реактора (1971 г) в БР-10 механические насосы были
Параметр «Rapsod ie» «Phenix» «Super Phenix» SNR-300
Франция ФРГ
Тип насоса Число агрегатов Подача. м3/ч Напор, м Температура перекачиваемой жидкости, ° С Частота вращения (номиналь- ная), об/мин Мощность приводного электро- двигателя. кВт Регулирование Механически 2 374 32 250 1100 55 Система «Леонардо» й со свобод нс 3 4000 76 390 1000 Тиристорн >й поверх» 4 18 000 76 395 470 4800 ый преобр частоты остью натрии 3 4970 85 560 910 1500 >азователь
Диапазон регулирования частоты вращения, % номинальной 15—100 25 - 100 10 (пони- мотор) — 5—100
КПД агрегата, % Давление газовой подушки, МПа Марка стали Тип уплотнения 70 316 Механическо 80—85 0,007 е по валу 83 0,05 0,15
Масса агрегата, т 358 - 35 НО
Приложение 3
>
БН-600 БН-800 (проект) БН-1600 (проект) PFR
Великобритания
и подушкой инертно 3 9700 95 380 го газа 3 12 300 100 354 4 18 200 98 354 3 4920 80 400
1000 1000 750 980
3400 4300 6200 1300
АВК Тиристорный преобр азоватсль частоты Г идравлическая муфта
15 100 25. 50. 75. 100 25. 60. 80. 100 20-100
72 0.04 08X18Н9 72 0,04 Механически 76 0,04 с по валу 72
120 120 180 —
заменены электромагнит ними.
Продолжение прилож. 3
SRE-PEP HNPE EFAPP FF ГЕ ЕВК 11
США
и подушкой инертного газа
4
GI5
510
12(М)
112
3 3 3 2
1630 2680 3000 1250
49 95 152 61
510 288 500 372
900 900 1110 1075
260 790 1300 260
Двигатель с фазным рото-
ром и жидкостным реостатом
Изменение напря-
жения и частоты
ная м\фта
0 100
70
Индукторная
муфта сколь-
жения
0—100
20-100
72.5
0—100
10—100
70
304
0,11
Герметичный элек-
тродвигатель
359
Основные характеристики натриевых насосов второго контура реакторов
Параметр БР 5 БОР-60 БН-350
СССР
Тип насоса Механический со свободной пове рхностыо натрия
Число агрегатов 2 2 6
Подача, м3/ч 150 830 3720
Напор, м 50 60 68
Температура перекачиваемой 450 500 270
жидкости. ° С
Частота вращения (номиналь- 1450 1500 1000
ная), об/мин
Мощность приводного электро- двигателя. кВт 28 220 1100
Регулирование частоты враще- ния — Система «Лео- нардо» Двухскоростной электродвига- тель
Диапазон регулирования ча- — 20—100 25. 100
стоты
КПД агрегата, % Давление газовой подушки. МПа Марка стали Тип уплотнения 43 Герметичный электродвига- тель 71 0,05 73 0,15
Масса агрегата, т — 31 60
11араметр «Rapsodie» «Phenix» «Super Phenix»
Франция
Тип насоса Механический со свободной поверхностью
Число агрегатов 2 3 4
Подача. м3/ч 380 3500 13 600
Напор, м 18 — 30
Температура перекачиваемой 420 360
жидкости. °C Частота вращения (номн- 875 1000 550
нальная), об/мин Мощность приводного элект- 54,5 560 1200
родвигателя, кВт
Регулирование частоты вра- Система «Лео- Тиристорныи преобразователь
щен ия нардо» частоты
Диапазон регулирования 15—100 20 100, 10 —
частоты вращения, % (пони-мотор)
КПД агрегата, % 70 86 81
Давление газовой подушки. — —
МПА Марка стали 316 — —
Тин уплотнения Механическое
Масса агрегата, т — — 35
360
Приложение 4
БН-ЬОО БН-1600 БН-800 PER
Великобритания
и подушкой ипертног о газа
3 3 4 3
8000 11 500 17 300 4200
52 53 55 32
320 309 309 370
1000 1000 750 925
1500 2250 3550 600
АВК Тиристорный преобразователь частоты Гидравлическая
муфта
15—100 25. 50, 75, 100 25, 60, 80. 100 20—100
76 80 84 82—85
0.20 0.20 0.20 ——>
08X18Н9 316
Механическое по валу
54 0,65 100 —
Продолжение прилож. 4
SRE-PEP HNPF FPAPP FFTF F.BR II
США
натрия и подушкой инертного газа Электромагнитный
1 3 3 3 1
568 1630 2950 3000 1475
75 52 30 79 43,5
220 520 270 390 371
1800 900 900 700 —
150 260 260 875 371
Электромагнитная муфта скольжения Двигатель с фаз- Изменение напря-
ным ротором и жения
жидкостным рео-
статом
0—100 0 -100 0-100 — 20—100
70 — - _ — 40
— — — — —
— 304 — —
по валу Полная герметиза-
ция по металлу
— —* — — —
361
24-173
Приложение 5
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Ниже приводятся с учетом требований ГОСТ 18322 78 термины и определе-
ния основных понятий, встречающихся при проск'1ировании. обслуживании и
ремонте техники, в том числе и ГЦ1! АЭС
Работоспособность — состояние оборудования, при котором оно способно
нормально выполнять заданные функции с параметрами, установленными в тех-
нической документации. Работоспособность нс касается требований, непосредст-
венно не влияющих на эксплуатационные показатели, например повреждение
окраски и т. д.
Неисправность — состояние оборудования, при котором оно в данный момент
времени нс соответствует хотя бы одному из требований, установленных техни-
ческой документацией: стандартами (IOCT) и техническими условиями (ТУ)
К неисправностям относят снижение мощности и подачи сверх допустимых пре
делов, подтекание масла, посторонний шум в узлах и механизмах и г. п
Исправность — состояние оборудования при котором оно удовлетворяет всем
нс только основным, но и вспомогательным требованиям.
Отказ — событие, заключающееся в потере оборудованием работоспособ-
ности При отказе оборудование должно быть остановлено из-за возникших
технических неисправностей.
Долговечность — свойство оборудования сохранять работоспособность до
предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслужи-
вания и ремонтов. Показателями долговечности являются ресурс, срок службы.
Долговечность является одним из основных факторов, определяющих ремонтные
нормативы
Наработка — продолжительность или объем работы оборудования измеряе
мые в принятых единицах (часах, циклах, тоннах, километрах и т. д.)
Ресурс — суммарная наработка оборудования до предельного состояния,
оговоренного в технической документации. Различают следующие ресурсы до
первого ремонта, межремонтный, назначенный, средний и др
Срок службы— календарная продолжительность эксплуатации оборудования
до момента возникновения предельного состояния, оговоренного в технической
документации или до списания. Различают следующие сроки службы: до первого
капитального ремонта, между капитальными ремонтами (ремонтный цикл) до
списания, средний и др.
Ремонтопригодность — это приспособленность оборудования к предупрежде
нию, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения
технического обслуживания и ремонюв. Ремонтопригодность является одним из
основных факторов, определяющих трудоемкость и стоимость технического обслу
живания и ремонтов оборудования
Амортизация — процесс постепенного переноса стоимости основных фондов
на производимый продукт в целях возмещения и накопления денежных средств
для последующего полного и частичного их воспроизводства. Амортизация может
осуществляться путем замены изношенного оборудования или его ремонта.
Модернизация — обновление действующего оборудования путем частичных
изменений и усовершенствований конструкции с целью доведения его эксплуата-
ционных параметров и экономических показателей до уровня показателей анало-
362
гичного оборудования более совершенных конструкций. Модернизация оборудо
вания планируется, как правило, при производстве капитальных ремонтов. Рабо-
ты по модернизации выполняются по специальным планам и по заранее разра-
ботанной технической документации. Для поддержания и восстановления исправ-
ности и работоспособности оборудования системой ППР предусматривается
выполнение определенных работ по техническому обслуживанию и ремонту.
Техническое обслуживание — комплекс работ для поддержания исправности
или только работоспособности оборудования при подготовке и использовании по
назначению, при хранении и транспортировании.
Техническое обслуживание при пользовании — комплекс работ для поддер
жания исправности или работоспособности оборудования при использовании
его по назначению Техническое обслуживание при использовании осуществля-
ется производственно эксплуатационным персоналом и дежурными слесарями-
ремонтниками в соответствии с требованиями инструкций по эксплуатации дан-
ного оборудования В техническое обслуживание при использовании входят
промывка, обтирка, чистка, смазка оборудования; регулярный осмотр оборудо-
вания с целью выявления неисправностей (постороннего шума в узлах и меха-
низмах, подтекания масла, повышенного нагрева подшипников, нарушения
герметичности оборудования, трубопроводов, арматуры и т. п.); проверка рабо-
ты предохранительных устройств, тормозов, масляных и охлаждающих систем,
устранение мелких неисправностей (подтяжка ослабших болтовых соединений
и крепежных деталей, промывка и прочистка масляных и охлаждающих систем
и т. д.). Техническое обслуживание при использовании может выполняться и
в перерывах, и в процессе выполнения работы. Промывку оборудования и
замену смазки рекомендуется совмещать с плановым техническим обслужива-
нием
Плановое техническое обслуживание (ТО) — техническое обслуживание,
предусмотренное в нормативной документации и осуществляемое в плановом
порядке. Плановое ТО проводится периодически между плановыми ремонтами
и включает в себя работы, предусмотренные ТО при использовании, а также
работы по регулировке механизмов оборудования. Наряду с этим при плановом
ТО в порядке подготовки выявляют дефекты, которые подлежат устранению при
ближайшем плановом ремонте
Периодичность проведения плановых ТО и типовые перечни работ, выполня-
емых при этом, для каждого вида оборудования разрабатываются отдельно.
Ремонт — комплекс работ для поддержания и восстановления исправности
или работоспособности оборудования
Плановый ремонт — ремонт, предусмотренный в нормативной документации
и осуществляемый в плановом порядке
Системой ППР предусматривается проведение текущих и капитальных пла-
новых ремонтов Эти ремонты носят профилактический (предупредительный)
характер и производятся до появления неисправностей и отказов, что предупреж-
дает прогрессирующий износ оборудования
Текущий ремонт — ремонт, осуществляемый в процессе эксплуатации для
гарантийного обеспечения работоспособности оборудования и состоящий в замене
и восстановлении его отдельных частей. Во время текущего ремонта выполня-
ются следующие работы:
363
предусмотренные плановым ТО;
ремонт или замена отдельных легален и узлов;
ремонт антикоррозионного покрытия;
выверка и центровка машин;
послеремонтные и плановые испытания (освидетельствования);
восстановления окраски.
Капитальный ремонт — ремонт, осуществляемый с целью восстановления
исправности и полного, или близкого к полному восстановлению ресурса обору-
дования с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые,
и их регулировкой. В объем капитального ремонта входит:
объем текущего ремонта;
ремонт или замена всех изношенных деталей, включая и базовые
ремонт антикоррозионного покрытия;
ремонт фундаментов;
модернизация оборудования.
При капитальном ремонте оборудование может быть снято с места его
установки.
Текущий и капитальный ремонты проводятся в строгом соответствии с гра-
фиком ППР В исключительных случаях возможны неплановые ремонты.
Неплановый ремонт — ремонт, вызванный авариен оборудования или непре-
дусмотренный годовым планом ремонта. При надлежащей организации системы
ПНР неплановые ремонты, как правило, не должны иметь место
Ремонтный цикл — наименьший повторяющийся период эксплуатации обору-
дования, в течение которого осуществляются в определенной последовательности
установленные виды технического обслуживания и ремонта, предусмотренные
нормативной документацией
Межремонтный период — время между двумя последовательно проведенными
ремонтами оборудования
Запасная часть — составляющая часть оборудования, предназначенная для
замены находящейся в эксплуатации такой же части с целью обеспечения исправ-
ности или только работоспособности оборудования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
К введению
I. Степанов А. И. Центробежные н осевые насосы. М: Машгиз, I960
2. Ломакин А. А. Центробежные и осевые насосы. М — Л. Машинострое-
ние, I960. г
3 Гудков Ю. В. Тенденции изменения стоимости строительства АЭС в CILL4
//Энергетическое строительство за рубежом. 1977 № 1. С. II 16.
4. Нормы расчета на прочность элементов реакторов, парогенераторов, сосу-
дов и трубопроводов атомных электростанций, опытных и исследовательских
ядерных реакторов и установок. М.: Металлургия. 1973
5. Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок.
Сварка и наплавка. Основные положения ПНАЭ Г-7-009-89 МЭьергоатом-
издат, 1990
6 Оборудование и трубопроводы атомных энергетических установок Сварные
соединения и наплавки. Правила контроля ПНАЭ Г-7-010-89 М. Энергоатом-
нздат. 1990.
7 Правила контроля стальных отливок для атомных энергетических уста-
новок: ИГА 05—82. М. Госгортехнадзор СССР, 1982
К главе /
1. Delves Р. Н., Seed G. Operating experiences with the prototype 0,45 in /S
sodium pumps//Convention on pumps for nuclear power plants/University of
Bath. 1974. c. 104/74. P. 149 164.
2. Watkins R. H. A development philosophy for nuclear power pump//Ibid.
c95/74. P 67—74
3 Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопро-
водов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г 7 008-89. М Энергоатом-
издат, 1989.
К главе 2
1 Африкантов И. И., Митенков Ф, М. Судовые атомные паропроизводитель-
ные установки (основы проектирования). Л / Судостроение, 1965.
2 Васильцов Э. А., Васильева Г. А. Герметичные центробежные электро-
насосы за рубежом. М : ЦИНТИ ДМ. сер ОС IX, 1964
3 Синев Н, М„ Удовиченко П. М Бессальниковые водяные насосы.— 2-е изд.
М.: Атомиздат, 1972
4 Newbould F. R., Roberts А. Е., Tornblom L. The development of а
glandless reactor internal pump//См. [I, гл. I] c91/74. P. 33—44
5 Будов В. M., Безносов А. В., Фарафонов В. А. Основное оборудование
атомных электростанций: Учебное пособие. Изд. Минвуза РСФСР Горьков поли-
техи. ин-т, Горький, 1979.
6 Технические проблемы реакторов на быстрых нейтронах/Ю Е. Багдаса
ров. М. С. Пинхасик, М. А Кузнецов и др М.: Атомиздат, 1969.
Тютин И. А. Электромагнитные насосы для жидких металлов Рига’
изд. АН ЛатвССР, 1959.
365
8 Перельман Р. Г. Проектирование и эксплуатация жидкометаллических
систем. М.: Атомиздат, 1968
К главе 3
1 Веллер В. Н. Снижение пожаробезопасности паротурбинных установок //
Теплоэнергетика. 1980. № II. С. 47—49
2 Бейзельман Р. Д., Цыпкин Б. В., Перель Л. Я. Подшипники качения
Справочник. М.: Машиностроение, 1975.
3 Воскресенский В. А., Дьяков В. П. Расчет и проектирование опор скольже
ния (жидкостная смазка). М : Машиностроение. 1980
4 Подшипники скольжения. Расчет, проектирование, смазка/Н Типей,
В Н Констанинеску, А. Ника, О Бице Бухарест: изд. АН РНР, 1964.
5. Натриевая технология и оборудование реактора БН-350/А И Лейпун-
ский, М. С. Пинхасик, Ю. Е Esi дасаров, В И. Шаронов и др // Атомная
энергия. 1967. Т. 22. Вып. L 13—19.
6. Циркуляционные натриевые насосы АЭС БН-350 // Доклады на симпози-
уме стран СЭВ Состояние и перспективы работы по созданию АЭС с реакторами
на быстпыл нейтронах. Обнинск, 1968. Т. I. С 288 311.
7. А. с. 499418 (СССР). Упорный сегментный двухсторонний подшипник/
В С. Шишкин, В А. Соболев, Э Г Новинский. А С Агалков // Бюллетень
изобретений. 1976. № 2
8 Опыт эксплуатации главных циркуляционных насосов на АЭС с реакто-
рами типа РБМК-ЮОО/А. С Агалков, В А Бабин, Э. Г. Новинский и др
//Атомные электрические станции Вып. 3. М Энергия, 1980. С 79—95.
9. Черноусов Н П., Кутьин А. Н., Федоров В. Ф. Герметичные химико техно-
логические машины и аппараты М — Л Машиностроение, 1965.
10. Раймонди А. А., Бойд Дж. Исследование гидростатических подшипников
скольжения с диафрагменной и капиллярной компенсациями // Машиностроение.
1957. № 7. С. 84 103.
11. Fuller D. D. Theorie und Praxis der Schmierung. Berlin, Technik; Stuttgart,
Berliner Union, 1961.
12. Potts P. S. Hydrostatic bearings//Machine Design 1952. N 10. P. 180
185
13. Fuller D. D. Hydrostatic Lubrication //Ibid. 1947. 19(№ /) P 117
14 Черноусов H. П. Работы Ленинградского филиала НИИхиммаша в об
ласти «Герметические химико-технологические машины и аппараты»//Труды
НИИхиммаша. Вып. 41. М., 1965 С 3—16
15 Черноусов Н. П. Гидростатические подшипники. Л : изд. ЛДНТП. 1963.
16 Синев Н. М., Удовиченко П. М Герметичные водяные насосы атомных
энергетических установок М Атомиздат. 1967
17. А. с. 112034 (СССР). Гидростатический подшипник/В. В. Иванов,
К С Игнатьев // Бюллетень изобретений. 1958. № 3
18 А. с. 145091 (СССР). Гидростатический подшипник/В В Иванов// Бюл-
летень изобретений. 1962. 4.
19 Тодер И. А., Тарабаев Г. И. Крупногабаритные гидростатические
подшипники М • Машиностроение. 1976.
20. Ринейский А А., Я ров и цы н В В. Насосы, подшипники и пары трения для
работы в жидких металлах (обзор иностранных публикаций) // Отчет ФЭИ,
ТР 88. Обнинск. 1970
21 Bowles L. F., Taylor D. The sodium pumps for the PFR // Nud. Engng
1967 P. 361-366.
22 A. c. 562680 (СССР). Упорный подшипниковый узел скольження/Е. П То-
карев // Бюллетень изобретений. 1977 № 23.
23. Мариинковский В А. Гидродинамика и прочность центробежных насосов.
М.: Машиностроение, 1970.
24. Honold Е. Hauptkuhlmittelpumpen in Kernkraftwerken // Brennstoff-War-
me-Kraft. 1969. Bd 21, N 10. S. 522—524.
25. Проблемы современной уплотнительной техники//Сборник докладов на
366
Второй международной конференции в Крепфилде Англия, 1964 М.: Мир, 1967
26. Самарин А. А., Ноздрин Г. Н. К анализу причин возникновения вибраций
оборудования первого контура АЭС с ВВЭР//Теплоэнергетика 1973, № 6
С. 40—42
27. Internal structures of the reactor in the ardenncs nuclear power plant/R
Evenepoel. M. Fabris, I-P. Samson, A. Simon // ACEC Rev. 1969. N 2. P 3—8.
28. Martin W., Wambsganss Jr. Vibration of reactor core components // Re-
actor and Full-Processing Technology. 1967. Vol. 10, N 3. P. 208 219.
29. Бацын M. Я. Анализ безопасности АЭС США//Экспресс-информация.
Теплоэнергетика. 1975. № 7. С. 32 35
30. Ломакин Л. С. Атомные электростанции // Экспресс-информация Тепло-
энергетика. 1977. № 9 С. 15—18.
31. А. с. 916839 (СССР). Уплотнение вращающегося вала/К- Ф Фомин //
Бюллетень изобретений. 1982. № 12.
32. Circulation pump IJ.BH-7 for large boiling water reactor stat ions/A. C.
Агалков, В. M. Вудов, Э Г Новинский и др. (Доклад на международной конфе-
ренции по насосам АЭС, Великобритания, г Бат), 1974
33. Williams J. G. Shalt seal systems for large power-reactor pumps // Nu-
cleonics. 1965 Vol. 23. N 2 P 49—53.
34 Ворона П H., Лисицын К. В . Марцинковскнй В А. Уплотнения роторов
насосов атомных электростанций. М. ЦИНГИ химнсфтемаш. сер ХМ-4. Насосо-
строение (обзорная информация), 1980
35. Майер Э. Торцовые уплотнения М. Машиностроение, 1978
36. Mayer Е. Heavy duty mechanical seals for nuclear power stations //
Pumps Pom pen s Pumpen. 1971. N 58. P 298 302.
37 Голубев А. И. Торцовые уплотнения вращающихся валов М Машино-
строение, 1974.
38. Ахматов А. С. Молекулярная физика граничного трения. М. Физмат! из,
1963.
39 Голубев Г. А., Кукин Г. М. Уплотнения вращающихся валов М : На\ка,
1966.
40. Контактные уплотнения вращающихся валов/Г А. Голубев, Г. М. Кукин
и др. М Машиностроение, 1976
41. Лисицын К. В., Марцинковскнй В. А. Расчет и конструкции гидроста
тических уплотнений роторов насосов АЭС // Энергомашиностроение. 1977 № 8.
С. 17 20.
42. Экспериментальная отработка системы уплотнения вала главного цир
куляционного насоса/П. Н. Ворона, К. В. Лисицын, В В Оскаленко и др. //
Химическое и нефтяное машиностроение. Т. 2 М. ИИ11ТИхимнефтемаш, 1980.
С. 26 28.
43. Токарев Е. П. Торцовые уплотнения вращающихся валов с малыми
протечками на высокие параметры работы//ВИМИ, информ, листок. 1980
№ 80 0746 Сер. ИЛИМП 10 4 02
44. Mayer Е. Experience gained in the operation of heavy duty mechanical
seals in power stations //Pumps. 1981. XI 183. P 561—566.
45. Митенков Ф. M., Новинский Э. Г., Токарев E. П. Механические уплот-
нения вала с докритическим уровнем протечки для главных циркуляционных
насосов АЭС//Доклад на Всесоюзном научно-техническом совещании «Пути
повышения надежности и унификации уплотнений роторов центробежных насосов
и компрессоров», Сумы, 1979.
46 Рекламный проспект/eNERATOOM»
47. Pennock Th. A. F. New developments in viscoseals for the sodium pumps
о SNR-400//9th Internal. Conf, fluid seal. Noordwijkerhout, 1981, Cranfield,
p. 313—321
18 A. c. 972168 (СССР). Надувное манжетное уплотнение/ll. А Вахрамов,
В М. Понов. Э. Г Новинский, В. В. Коновалов. В. Ф Дунаев//Бюллетень
изобретений. 1982. № 41
367
К главе 4
1 . Metzger J. Designing for hydraulic system maintenance //Machine Design.
1969. Vol. 41, N 7. P. 205—207.
2 Особенности конструкции и опыт эксплуатации ГЦН АЭС «Ловиса» с ре-
актором ВВЭР-440 в Финляндии/Д. Иофе, И. Куйела, И. Тамперн, Г. Шлейфер,
В. Вистебанна, Л. М Трудовский, Л И Турецкий, II. Н. Ворона //Теплоэнер-
гетика, 1970 № 4 С. 35—41.
3 . Moritz G. Andritz main coolant pumps for nuclear power stations//Cm.
{1, гл. 1]. C 94/74. P ’59—65.
4 Пат. 1800254 (ФРГ). Vorrichfung zur Sicherstellung der Kohlung der
Wellenahdichtungen und medium geschmierten Radiallager von unter hohen
Systemdruchen arbeitenden Umwalzpumpen/Gaffal K-
5 . Насосы энергетических установок с реакторами БН-350 и БОР 60/
Ю Н Кошкин, Ф М Митенков, Э. Г. Новинский и др.//Доклад на советско-
французском симпозиуме по технологии быстрых реакторов Димитровград изд
НИИ АР. 1973.
6 Разработка и испытание натриевых насосов для реакторов БН-350 и
БОР-60/Ю. Н Кошкин, В И. Костин. Ф М. Митенков, Э I Новинский и др //
Состояние и перспективы работ по созданию АЭС с реакторами на быстрых
нейтронах Обнинск: изд. ФЭИ 1975 Т. 1 С 573— 607
7 Mitenkow F. М , Chernomordik Е. N., Novinskij Е. G. Erfahrungen aus den
Entwicklung der Putnpen fur die energetischen Anlagen mit der Reaktoren BN-350
und BOR-60//Kernenergie. 1975 Bd 18, N 4. S 104—114
8 Натриевые насосы установки БН 600/С. А. Белов, В И Костин, Г М. Ни
колушкин, Э Г Новинский и др // Доклад на советско-французском семинаре
«Концепции общих компоновок, конструкция оборудования и вспомогательных
систем», Кадараш (Франция), 1976.
9 Регулируемый электропривод главных циркуляционных насосов третьего
блока Белоярской АЭС/Г Б. Онищенко, В. М Пономарев, Е Ю. Анишев и др.//
Электрические станции 1982. № 6. С 16—20.
10 Регулируемый электропривод циркуляционных насосов АЭС/Г Б Они
щенко, В М Пономарев, Е Ю. Анишев, В. В Пальмов // Электротехническая
промышленность Сер Электропривод. 1976 № 4(48) С. 1—3
К главе 5
1 Webster G. R. Primary circulators. Water reactor circulating pumps //
Nucl Engng Internal 1971 Vol. 16, N 187. P 993—996.
2 Тихомиров Ю. Ф. Промышленные вибрации и борьба с ними. Киев Тех-
ника, 1975.
3 . Барсуков Г. И. Монтаж главных циркуляционных насосов ГЦН-195//
Энергетическое строительство 1980 № 7 С. 17—19.
4 Hursen Т. F., Anthony С. Е. Reactor coolant pumps//См [I, гл. I]
С 92/74 Р. 45—52
5 . Ruyant F. Conception et maintenance des pompes primaires pour reacteur
a eau pressurisel // Rev. Gcnerale Nucl. 1978. N 4 P 271—276
‘ 6 Пат. 3652179 (США). Controllend leakage centrifugal pump // Oskar
Hagen
7 Пат. 4021136 (США). Centrifugal pump/Frank Sabino.
8. Пат. 3822962 (США). Hot water pump removable shaft bearing/Rudolf
Weiser.
9. Sodium Pumps for BOR-60, BN-350, BN-600 Reactors. Рекламный прос-
пект на «Nuclex-75».
10. A.c. 823653 (СССР). Центробежный насос/А. И. Куропатов. Г. М Ни-
колушкин, Э. Г. Новинский //Бюллетень изобретений. 1981. № 15.
II Cydan R., Stelle А. М. Freeze-seal valves and pumps //Chem. Engng.
Progr. 1956. Vol. 52, N 4. P. 57.
12. Ball R. E., Cullman D. E. Design and testing of sodium pumps for the
368
hallam nuclear power facility // Nucl. Engng 1961 Vol. 6, N 63. P 352.
13. Энергетические, опытные и исследовательские ядерныс реакторы (по
материалам иностранной печати за 1946 -1957 гг.). М: Атомиздат, 1959.
14 Morabita I. I., Savage Н. М. Major components and test facilities for
sodium system//Fast reactor technology National topvcal meeting Detroit
NAS-100. 1965. P 310.
15. Канаев А. А., Копп И. 3. Судовые и стационарные жидкометалличе-
ские энергетические установки. Л.: Судостроение, 1968.
16 Вестник Дж. FFTF-ключевая установка в программе США по быстрым
реакторам//Атомная техника за рубежом 1971 № 12 С 59.
17 Beely R. I., Ash Е. В. Atomics international LMFBR. Combustion. June
1971. P 59.
18 Seaborg G. T. Fission and fusion-developments and prospects //Combus-
tion, Dec. 1970. P 9.
19. Milton S. The role of FFTF in the (J S LMFBR programme // Nucl.
Engng. 1972 Vol. 17. P 613—614.
20. Гренон M. Технологические аспекты использования натриевого тепло-
носителя на реакторах Rapsodie и Phenix. М.: ЦНИИатоминформ, 1971
21 Guider J. Pompes prime tries sodium a grandes dimensions // l.ahouill
blache 1977 N 7/8. P. 719—725
22 Denimal Ph., Canini J. M. Les pompes pour reacteurs Lapides/La Techni-
que moderne. 1985 N 3 4 P 25—28
23. Seed G.. Bowles L. G.. Macleod J. D. Design, testing and commissioning
of sodium pumps for the 600 MW (T) protopve fast reactor /у См. fl, гл 1]. Ser
106/74 P. 173—186
К главе 6
1 Айзенштенн M. Д. Центробежные насосы для нефтяной промышленности
М.: Гостептехиздат. 1957
2 Пфлейдерер К- Лопаточные машины для жидкостей и газов Водяные
насосы, вентиляторы, трубовоздуходувки, турбокомпрессоры М Машгиз, I960.
3 . Михайлов А. К., Малюшенко В. В. Конструкция и расчет центробежных
насосов высокого давления М.: Машиностроение, 1971
4 Певзнер Б. М Насосы судовых установок и систем Л Судостроение, 1971
5 . Будов В. М., Бабин В. А., Лосев В И Влияние запиловки лопастей
рабочего колеса на характеристику центробежною насоса // Энергомашинострое
ние. 1973, № 7. С. 21—22.
6 Бихеллер X. Д. Радиальные силы, действующие на рабочие колеса
центробежных насосов со спиральными, полуспиральными и кольцевыми отво
дами//Transaction. ASME. 1965. Ser А. М 24 Р 99 105
7 . Бубнов В. А., Ден Г. И., Шершнева А. И. Воздействие потока на ротор
центробежной ступени//Труды ЦКТИ. № 14 Л., 1966. С. 28 32.
8 А. с. 324408 (СССР). Центробежный насос/В. М. Будов, В А Бабин,
Д Д Желтяков//Бюллетень изобретений. 1971. № 2
9 А. с. 423943 (СССР). Центробежный насос/Ф М. Митенков В. М Будов,
В А Бабин и др.//Бюллетень изобретений. 1974 № 14.
10 . ГОСТ 6134—87. Насосы динамические Методы испытаний. М Изд-во
стандартов, 1987.
К главе 7
I Карелин В. Я- Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах
М Машиностроение, 1975.
2 Яременко О. В. Испытания насосов. М Машиностроение, 1976
3 Волин В. Э., Лунаци Э. Д. Ускоренное определение кавитационно-эро-
зионных качеств гидромашин с помощью легкоразрушаемых лаковых покрытий //
Труды ВНИИгидромаша Вып 37 М., 1968 С 122—131
369
4. Букрннский А. М., Модникова В. В. Прибор для измерения кавитацион-
ного запаса циркуляционных насосов // Энергомашиностроение. 19Ь8 № 8.
С 36 43
5. Крагельский И В. Трение и износ. М Машиностроение, 1968
6. Метод экспериментального отбора материалов для создания высокотем-
пературных подшипников скольжения циркуляционных насосов/В. В Вязанкин,
И. С. Лупаков, В Б. Чистяков, В II Александров//Вопросы атомной науки
и техники Вып. 1(4) М ЦНИИатоминформ. 1979. С. 43—51
7 Коррозия и облучение/В. В Герасимов А. И. Громова Е. С Головина
и др. М.: Атомиздат, 1963.
8 Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Гос-
энергоиздат. 1975.
9. Билик Ш. М. Макрогеометрия деталей машин. М.: Машиностроение. 1973.
10. А. с. 892070 (СССР). Торцовое уплотнение вращающегося вала/В М Бу-
дов, Э Г Новинский, Е П. Токарев, I II Черномордик//Бюллетень изобре
тений. 1981 № 47
11 Ворона П. Н , Никитенко В. А Испытательный стенд главных цирку-
ляционных насосов АЭС //Энергомашиностроение. 1980. № 5. С 29—32
12. Potschke H.//Atom und Strom 1975. Bd 1/2 S. 14—15.
13. Правила 28—64 измерения расхода жидкостей, газов и паров стандарт-
ными диафрагмами и соплами М : Изд-во стандартов. 1968
14. Яновский М. И. Конструирование и расчет па прочность деталей паро
вых турбин АН СССР. М.—Л. Печатный двор, 1947.
15 Турчин Н. И., Дробышев А. В. Экспериментальные жидкометаллнческис
стенды. М.: Атомиздат, 1978.
16. Субботнн В. И., Ивановский М. Н., Арнольдов М Н. Фи.зико-химиче-
ские основы применения жидкометаллических теплоносителей. М.: Атомиздат.
1970
17 Натрий и калий (получение, свойства применение)/А Ф. Алабышев,
К- Я. Грачев, С А Зарецкий. М. Ф. 1антратов Л.: Госхимиздат, 1959
18. ГОСТ 13004—77. Жидкости полиэтнлсилоксаповые. Технические усло-
вия. М.. Изд-во стандартов, 1985
19 Hoppel R W. Primary nuclear pumps//См |1, гл. 5]. Р. 1004—1005
20. Fakkel R. Н., Helenfeld М W., Vroom J. Р. 6000 hours test ng of a ull-
scale prototype sodium pump //Nucl. Engng. Internal. 1973 Vol. 18. N 211.
P. 949- 951.'
К главе 8
1 Gaffalk K-, Klein F. Die Bedienungsbedingungcri auf den Atomkraftuerken
und deren Emfluss auf Hauptzirkiilationspiimpenkonstruktion//VGB Kraftwerk-
technik. 1975 Bd 55, N 4. S 213—215
2. Особенности конструкции основных узлов главного циркупяционного насо-
са для атомных электростанций с водо водяным реактором/А И Бирюков,
Н Н. Боярко, II Н Ворона и др.//Лопастные насосы Л.: Машиностроение.
1975 С. 357—362.
3. А. с. 723225 (СССР). Электроприводной центробежный насос/И. Е. Уда-
лов. А. С. Агалаков, Э. Г. 11овинский//Бюллетень изобретений. 1980. № II.
4. А. с. 894216 (СССР). Насос/Н. А. Бахрамов. Э. Г. Новинский, В М. По-
пов //Бюллетень изобретений. 1981 ,Nb 48.
5 Александров А. П., Доллежаль Н А. Развитие уран графитовых каналь-
ных реакторов в СССР // Атомная энергия 1977. Т. 43. Вып 5 С 337 343.
6 Об эффективности перспективных типов циркуляторов в водо графитовых
реакторах/Э К- Карасев, В. Г. Смирнов. Ю. В. Коньков и др.// Атомная энер-
гия. 1981. Т. 51. Вып. I. С. 9—11.
7. О выборе рационального типа главного циркуляционного насоса АЭС
с реактором, охлаждаемым водой под давлением/Л И. Турецкий, А Г Грызлов.
Т Ф Пугачева. Л. К 11узырев//Теплоэнергетика 1970. № 12. С 8—10.
370
8. Бирюков А. И., Ворона П. Н., Смирнов В. С. О выборе проточной части
главного циркуляционного насоса для блока АЭС//Химическое и нефтяное
машиностроение. 1980 № 8. С. 5—7
9 Traube К. Anordnung von Kuhlwasserumu alzpumpen innerhalb des Druck-
gefasscs von Siedewassereaktoren // Nucl. Engng and Design 1967. Vol 5, N 2.
P. 161-176.
10. Altvater W., Weber D. M. Status and development of water reactor for
power generation //См (I, гл. 1]. Ser 87/74 P I—24.
11 Программа и состояние работы по быстрым реакторам в СССР/О Д Ка-
зачковский, А. Г Мешков, Ф М. Митенков//См. [4. гл. 8). С. 343 351.
12. Костин В. И., Куропатов А. И. О выборе главных циркуляционных насо-
сов первого контура перспективных установок с натриевым теплоносителем //
Теплоэнергетика. 1978. № 3. С. 54 —57.
13 А. с. 720194 (СССР). Сварной корпус насоса/Э. Г Новинский, А. С Ага-
лаков, И. Е Удалов и др.// Бюллетень изобретений. 1980. № 9.
14. Versollmann W. Hauptkuhlmiffelpumpe fur Drnckwasserreakloren mit
Gub-oder Schmiedegehauscn // Atomkernenergie Kerntcchmk 1979 Bd 34, N 3
S 225—230.
15. Вибрация энергетических машин Справочное пособие. Л : Машинострое-
ние, 1974.
16. Марцинковский В. А., Ворона П. Н Насосы атомных электростанций.
М Энергоатомиздат. 1987
17. Coolant pump monitoring and diagnostics // Mod. Power sist. 1987 Bd 7,
N 5. P. 79
18. A. c. 308290 (СССР). Способ определения параметров несоосности ва-
лов/К. М. Рогульскис, Р Ю Бансевичус, Р А. Ионушас и др.//Бюллетень
изобретений. 1971. № 21.
ОКБМ [опытно-конструкторское бюро машино-
строения) — это инженерные знания и опыт
в технологии реакторостроения
Ведущее конструкторское бюро по оборудованию
ядерных энергетических установок с реакторами разных
типов и назначений
Многие годы успешно эксплуатируется разработанное ОКБМ
оборудование в составе ядерных энергетических установок ледо-
колов «В И. Ленин», «Арктика», «Сибирь», «Россия», контей-
неровозе «Севморпуть». Суммарная продолжительность их
эксплуатации превысила 100 лет. Они надежны и безопасны
в эксплуатации.
ОКБМ накопило значительный опыт создания энергетических
реакторов на быстрых нейтронах Эти реакторы обеспечивают
расширенное воспроизводство ядерного топлива (наработку плу-
тония) в сочетании с повышенной тепловой экономичноЬтыо
энергоблока. Надежно и устойчиво работают реакторы на быст-
рых нейтронах БН-350 на полуострове Мангышлак и БН-600 на
Белоярской АЭС Начато промышленное освоение усовершенст-
вованного реактора БН-800 для энергоблоков АЭС электриче-
ской мощностью 800 МВт.
ОКБМ имеет опыт создания целой серии проектов реактор-
ных установок повышенной безопасности типа АСТ-500. Они
предназначены для атомных станций теплоснабжения и атомных
ТЭЦ различной тепловой мощности. Первые реакторы этого
типа уже изготовлены.
ОКБМ выполнен большой объем работ по созданию энергети-
ческих установок нового типа — высокотемпературных газовых
реакторов. Они представляют собой надежный источник тепла
(до 900 —950е С) и могут найти применение в наиболее энергоем-
ких отраслях промышленного производства — химии, нефте-
переработке, металлургии, нефтедобыче.
ОКБМ — это коллектив высококвалифицированных специа-
листов — конструкторов, исследователей, технологов; это мощ-
372
ная экспериментальная база и современное опытное производ-
ство с большими возможностями.
Основываясь на своем техническом опыте и знаниях, ОКБМ
может разработать следующие узлы и ai регаты.
ядерные реакторы разных типов, назначения и условий при-
менения;
сосуды и корпусные конструкции, работающие при высоких
температурах и давлениях;
теплообменное оборудование для жидких и газообразных
сред, парогенераторы;
циркуляционные насосы и газодувки для перекачивания жид-
ких и газообразных сред;
подшипники, уплотнения и другие узлы для циркуляторов
всех типов;
арматуру запорную, регулирующую, предохранительную для
жидкостей, пара, газа,
различное технологическое оборудование для дистанционного
2 проведения монтажно демонтажных и ремонтных работ.
з При создании оборудования ОКБМ выполняет следующие
4 операции:
разработку конструкторской документации с проведением
квалифицированных расчетов на основе современных аналити-
ческих методов и расчетных моделей с использованием САПР,
опытно-экспериментальную отработку технических решений
на стендах, включая ресурсные и межведомственные испытания;
изготовление опытных образцов оборудования и его узлов.
Деловые отношения ОКБМ с заказчиками не ограничиваются
только передачей конструкторской документации. ОКБМ раз-
рабатывает законченную технологию на изготовление и монтаж
оборудования, а также осуществляет поставку оборудования
«под ключ».
Экспериментальная база ОКБМ позволяет проводить науч-
ные исследования по широкому спектру вопросов теплофизики,
газодинамики, гидравлики, прочности конструкций, а также
представительные испытания любых видов оборудования
ОКБМ — Ваш надежный партнер по разработке качествен-
ных проектов энергетического оборудования на мировом техни-
ческом уровне.
Девиз ОКБМ: высокий научно-технический уровень и каче-
ство, надежность и безопасность эксплуатации каждого разра-
ботанного изделия.
Более детальную информацию Вы можете получить по адресу:
603603, Горький, ГСП-768, ОКБМ.
373
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к первому изданию ..................................... 3
Предисловие ко второму изданию 4
Введение ........................................................... 5
Глава I Место и значение ГЦН на АЭС 11
I I Условия работы ГЦН ... ............... И
1.2 Предъявляемые к ГЦН требования ............. 17
Глава 2 Основные конструкционные схемы насосных агрегатов 27
2 1 Герметичные водяные насосы ............................ 27
2 2 Водяные насосные агрегаты с механическим уплотнением вала .... 31
2 3. Водяные встроенные паротурбонасосы ....................... 37
2.4. Насосы для жидкометаллического теплоносителя ... .38
Глава 3. Основные узлы насосного агрегата ... 48
3 1 Подшипниковые опоры ......... 48
3 1 I Требования к подшипниковым опорам .. ........ 48
3 .1.2. Конструкционные особенности подшипниковых опор 50
3.2. Уплотнение вала .......................................... 85
3 2 I Основные проблемы проектирования уплотнений 85
3 2 2 Уплотнение вала с радиальным зазором ...... 86
3.2 3. Торцовое уплотнение вала 91
3 2.4. Комбинированные уплотнения ....................... 99
3.2.5. Уплотнение вала ГЦН для жидкого металла .......... 103
3.2.6 Ремонтное уплотнение ...............-..................... ...... 111
3.3. Обратные клапаны 114
Глава 4 Обслуживающие системы 124
4.1. Общие положения ......................................... 124
4 2 Обслуживающие системы герметичных водяных насосов 127
4 3. Обслуживающие системы водяных насосов с уплотнением вала 129
4 3.1 Масляная система 129
4 3.2. Система подачи запирающей воды 133
4 3 3. Система питания гидростатических подшипников ...... 146
4 3.4. Система охлаждения гидродинамических подшипников 147
4.3.5. Система разгрузки от осевых сил ................... 148
4.4. Обслуживающие системы насосов для жндкометаллического теп-
лоносителя ................................................. 150
4 4.1. Система смазки подшипников ..... .. 150
4 4.2. Система питания уплотнения ........................ 152
4 4.3. Система поддержания уровня теплоносителя баке насоса 155
4.4.4. Система разогрева ............................... 158
4 5 Система регулирования частоты вращения 160
Глава 5 Описание конструкций некоторых отечественных и зарубеж-
ных ГЦН .......................................................... 163
5.1 Насосные агрегаты для воды .................... . . . 163
374
5 I I Герметичные насосы .. . 163
5.1.2. Насосы с уплотнением вала ....................... 180
5.2. Механические насосы дли жидкого металла .............. 200
5.2.1 Отечественные натриевые насосы ................... 201
522 Зарубежные натриевые насосы ..... 216
Глава 6 Проточная часть насосов .... ........ 232
6.1. Подводящие устройства ..................... . ....... 232
6.2. Отводы .............................................. 236
6 4 Влияние геометрии рабочего колеса на характеристики ГЦН 237
6 4 Радиальные силы ........................................ 237
6 4 1 Способы воздействия на радиальные силы ......... 243
6.4 2 Составляющие радиальной силы ................. 244
6.5 . Осевые силы ........................................ 247
6.6 Кавитация ............................................ 253
Глава 7 Испытания насосного агрегата 264
7 1 Экспериментальная отработка конструкции 264
711 Задачи экспериментальной отработки . . 264
7.1.2. Принципы ускоренной экспериментальной отработки . 265
7.1 3 Отработка проточной части . ... 266
7 1 4 Определение действующих сил на опоры насоса 275
7.1.5. Отработка подшипниковых опор 278
7.1 6 Отработка уплотнения нала ........................ 286
7.2. Натурные испытания насосных агрегатов ........... .. 297
7.2.1. Натурные испытания водяных насосов с контролируемыми
протечками ............................... ............ 299
7.2.2. Натурные испытания натриевых насосов 302
7.3 Приеме сдаточные испытания серийных ГЦН . ... .. ...... И4
7.3.1. Испытания водяных насосов ....................... 314
7.3.2. Испытания натриевых насосов ................... 315
Глава 8 Направления развития главных циркуляцнонных насосов АЭС 317
8.1 Общие соображения ................................... 317
8.2. Поузловос усовершенствование .......................... 322
8 3. Возможные схемы и компоновки .......................... 326
8.4. Технологичность конструкций . 347
Приложение 1 ................................................. 356
Приложение 2.................................................... 356
Приложение 3.............................................. 358
Приложение 4.............................................. 360
Приложение 5.................................................... 362
Список литературы .............................................. 365
ОКБМ (опытно-конструкторское бюро маши-
ностроения) — это инженерные знания и опыт в
технологии реакторостроения
Ведущее конструкторское бюро по оборудованию
ядерных энергетических установок с реакторами разных
типов и назначений........................... 372
375
11реди
Преди
Вводе
Глав
I.
1.
Глав
2.
2.
2.
2.
Глав
3.
3.
Производственное издание
Митенков Федор Михайлович
Новинский Эрнест Георгиевич
Будов Вячеслав Михайлович
3 ГЛАВНЫЕ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЕ НАСОСЫ АЭС
1 Е
4 Заведующий редакцией В. В. Климов
4 Редактор О А Стелен нова
4. Художественный редактор Б Н. Т у м и н
Технический редактор В В. Хапаева
Корректор Е. С Арефьева
ИБ№3015
Сдано в набор 26.02.90 Подписано в печать 14 11.90. Формат
60Х88'/|б- Бумага офсетная № 2. Гарнитура литературная. Пе-
чать офсетная. Усл. печ л 23,03. Усл. кр-отт 23 03. Уч. изд
л. 25,7! Тираж 2000 экз Заказ 173. Цена I р 60 к.
Энергоатомиздат. 113114 Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10
Г л а I---------------------------------------------------------------------------
Ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного
Знамени МПО «Первая Образцовая типография» Государст-
венного комитета СССР по печати 113054, Москва Валовая. 28
374