Насосы С11АЭ,11МТ,11ТС / 11-ТС / 2.Ксерокопии книг / 03.Книга.ГЦН_АЭС

Рис. 2.4. Схема герметичного осевого насоса, встроенного в корпус реактора:

1 — осевой подшипник; 2, 5 — нижний и верхний радиальный подшипник соответственно; 3 — ротор; 4 — статор; 6 — корпус реактора; 7— спрямляющий аппарат; 8 — рабочее колесо

Электронасосы с герметичной статорной перегородкой в отношении конструкции наиболее приемлемы, но сложны в изготовлении и имеют высокую стоимость. Хотя длительный опыт использования герметичных ГЦН показал их высокую надежность, считается, что их экономически нецелесообразно использовать для мощных стационарных ЯЭУ. Не исключено, однако, что при некоторых компоновочных решениях и дальнейшем совершенствовании конструкции герметичных электронасосов, например повышении их быстроходности, они могут найти более широкое применение. На это указывают, в частности, разработки реактора со 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 значительные преимущества по сравнению с герметичными. Действительно, уплотнение вала позволяет использовать для привода насосов серийные электродвигатели, турбины, гидроприводы, а также заменять их без разгерметизации первого контура. Все это заметно снижает эксплуатационные расходы и стоимость ГЦН. Кроме того, существенно (на 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

31

привода, так и связь их через эластичную (гибкую) муфту, торсион, а при необходимости 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. Корпус, в свою очередь, может неподвижно крепиться к фундаменту, как, например, у ГЦН на АЭС с реакторами РБМК (см. рис. В. 4), или иметь возможность свободно перемещаться 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 насосе и питается водой с напора рабочего колеса или от посторонней системы. Радиальный подшипник 9 предусмотрен для уменьшения консоли вала вращения. Нормальная работа агрегата, выполненного по этой схеме, обеспечивается высокой точностью изготовления приводной части (по крайней мере, не 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 разности температур между горячими нижними элементами насоса (корпуса, гидравлической части) и холодной верхней частью (электродвигателем), но у агрегата поднимается центр тяжести, что может отрицательно сказаться на его вибрационной характеристике. Поскольку межремонтный период насоса определяется, как правило, ресурсом уплотнения вращающегося вала, на насосных агрегатах предусматривается специальный съемный участок вала (проставка), позволяющий проводить ремонт или замену уплотнения без демонтажа электродвигателя, что значительно сокращает время простоя насоса. Специфической задачей при такой компоновке является обеспечение сохранности центровки валов при извлечении и установке проставки.

32

Рис. 2.5. Схема насосного агрегата с жестким соединением валов:

1 — корпус насоса; 2 — выемная часть; 3 — уплотнение вала; 4 — станина электродвигателя; 5 — проставка; 6 — маховик; 7 — электродвигатель; 8 — радиально-осевой подшипник электродвигателя; 9 — радиальный подшипник насоса

Рис. 2.6. Схема насосного агрегата с гибкой соединительной муфтой:

1— рабочее колесо; 2 — тепловой барьер; 3 — уплотнение вала; 4 — проставка; 5 — верхний радиальноосевой подшипник; 6 — электродвигатель; 7 — муфта; 8 — нижний радиальный подшипник

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 стоимости электродвигателя, обусловленной жесткими допусками, высокой точностью сборки, большой грузоподъемностью осевого подшипника. Кроме того, необходимость точного

33

изготовления валов, их совместной обработки и балансировки создает определенные трудности при раздельном изготовлении ГЦН и электродвигателя.

Насосные агрегаты этой группы могут иметь несколько исполнений. Агрегат имеет два независимых узла: насос и электродвигатель, каждый из которых содержит по два раздельных подшипника и по одному осевому. Такая конструкционная схема принята для всех отечественных и для большинства зарубежных ГЦН. Нежесткое соединение 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. Электродвигатель можно заменить или отремонтировать, не навлекая насос из контура и не нарушая герметичности последнего, а также поставлять на объект раздельно с насосом. Насосные агрегаты этой группы могут иметь несколько исполнений. По первой схеме (рис. 2.6) вал насоса вращается в двух подшипниках, а рабочее колесо 1 располагается консольно относительно нижнего радиального подшипника 8, работающего на водяной смазке. Верхний радиально-осевой подшипник 5 компонуется ниже соединительной гибкой муфты 7 и имеет автономную систему смазки. Гибкая муфта допускает несоосность валов примерно 0,05 мм и излом до 0,1 мм на 1 м. По второй схеме (рис. 2.7) в целях ликвидации консоли нижний радиальный подшипник 1 размещается перед рабочим колесом 2, а вместо муфты применен торсион 5. Использование торисона или зубчатой муфты с промежуточным валом 5 (рис. 2.8) дает возможность иметь значительно большую несоосность валов насоса и электродвигателя (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 гидростатическим, 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 поверхностей (например, сталь 20X13 с термообработкой рабочих поверхностей до HRC*=42-M9). Гораздо опаснее для гидростатического подшипника переходные режимы (особенно в пусконаладочный период), связанные с изменением давления в контуре циркуляции и возможным вскипанием воды в корпусе ГЦН.

34

схему ГЦН вводится дополнительный контур охлаждения. Схема одного из возможных вариантов питания гидродинамических подшипников охлажденной контурной водой показана на рис. 2.9. С напора колеса 4 автономного контура охлаждения вода проходит через специальный змеевиковый холодильник 5 и попадает в полость осевого подшипника 6. Далее по специальным каналам вода поступает в верхний 11 и нижний 12 гидродинамические подшипники и сливается на всасывание рабочего колеса автономного контура. Питание гидродинамических подшипников может осуществляться и водой от постороннего источника.

Рис. 2.9. Схема насосного агрегата на гидродинамических водяных подшипниках:

1 — корпус насоса; 2 — рабочее колесо: 3 — тепловой барьер: 4 — колесо автономного контура; 5 — холодильник автономного контура; 6 — осевой подшипник; 7 — уплотнение вала; 8— муфта; 9 — электродвигатель; 10— маховик; 11, 12— верхний и нижний гидродинамический подшипник соответственно

Рис. 2.10. Схема насосного агрегата с контролируемыми утечками, встроенного в корпус реактора:

36

Упростить конструкционную схему насоса и повысить надежность агрегата можно за счет применения достаточно проверенных подшипниковых узлов на минеральной смазке (рис. 2.8). Вал насоса по этой схеме вращается в двух гидродинамических 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 теплоносителя. На рис. 2.10 представлен возможный вариант использования осевого ГЦН с контролируемыми утечками, встроенного в корпус реактора. Хотя на АЭС осевые насосы и не получили широкого 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 . ВО Д ЯН ЫЕ В С Т РОЕ НН ЫЕ П А РО Т УРБ ОН АС О С Ы

Достоинства турбонасосов (рис. 2.11) — небольшие габаритные размеры привода и отсутствие каких-либо вспомогательных контуров, поскольку при использовании в кипящих реакторах они могут устанавливаться непосредственно внутри сепаратора насыщенного пара. Основными узлами турбонасоса являются рабочее колесо 1 насоса, приводная турбина 6 и подшипниковые узлы 2, 9 и 10. В качестве подшипниковых опор в турбонасосе применяются гидростатические или гидродинамические подшипники, работающие на перекачиваемой среде. Особенностью такого насоса является возможность работы в широком диапазоне частот вращения ротора (например, от 1000 до 8000 об/мин), при поддержании подачи, оптимальной для данного режима работы ЯЭУ.

37

Однако обеспечение устойчивой работы во всем диапазоне частот вращения накладывает дополнительные требования на конструкцию. В частности, большое значение имеет правильный подбор материалов пар трения подшипников и в особенности пусковой пяты, так как последняя работает в горячей воде (290° С) и при окружных скоростях до 100 м/с. Конструкция насоса должна быть рассчитана на кратковременное увеличение частоты вращения выше номинальной с сохранением работоспособности.

К недостаткам турбонасосов следует отнести: -невозможность ремонта без отключения сепаратора;

-сложность защиты от возможных разгонов при падении нагрузки; -уменьшенный располагаемый кавитационный запас в аварийных режимах, связанных

с прекращением подачи «холодней» воды питательными насосами; -сложность обеспечения устойчивой параллельной работы насосов с нежестко

фиксированной частотой вращения; -невозможность обеспечения принудительной циркуляции через реактор в беспаровых

режимах (промывка, пуск и остановка блока).

2.4. НАСОСЫ ДЛЯ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ

В созданных и проектируемых ЯЭУ с жидкометаллическим теплоносителем (натрием, сплавом натрий — калий) в основных контурах применяются насосы двух типов: механические (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 газ (азот, аргон) под избыточным давлением 0,01—0,3 МПа при работе. У

таких насосов в качестве привода могут использоваться электродвигатели серийного исполнения или турборедукторы. Перед уплотнением вращающегося вала устанавливается ремонтное уплотнение, позволяющее герметизировать рабочую полость при остановленном насосе, когда необходимо заменить уплотнение вращающегося вала. С электроприводом вал насоса соединяется аналогично водяным ГЦН [5, 6].

В принципе, можно выполнить насос без торцового уплотнения по схеме с герметичным электродвигателем (рис. 2.3). Но при этом возникают довольно сложные проблемы защиты двигателя от попадания паров теплоносителя, усложняется конструкция электродвигателя, затрудняется его охлаждение, допускается применение только асинхронных двигателей (без коллекторов и щеток). Поэтому конструкция насоса с уплотнением вращающегося вала представляется более рациональной.

38

электромагнитные насосы разработаны и успешно эксплуатируются на реакторах БР-10 (подача 140 м3/ч), БОР-10 (подача 700 м3/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 реакторе при обесточивания 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 насосов для АЭС может быть весьма значительной.

Компоновка оборудования первого контура оказывает решающее 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 теплообменник 2 соединяются трубопроводами первого контура и располагаются в специальном боксе, который примыкает к шахте реактора. Баковый принцип компоновки предусматривает размещение всех элементов контура (реактора, теплообменников, насосов и др.) в одном общем баке 1, заполненном натрием.

Рис. 2.14. Петлевой (а) и баковый (б) варианты компоновок ЯЭУ с жидко - металлическим теплоносителем:

1 — бак; 2 — теплообменник; 3 — насос; 4— реактор

40