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

воде кавитационный запас ∆h 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 кавитационных зон изменяется

так, что увеличивается плотность среды и уменьшаются размеры кавитационных пузырей, причем наиболее существенно изменение структуры потока происходит в диапазоне температур 160—220° С;

в верхних сечениях канала жидкость может находиться в метастабильном состоянии; протяженность этой области увеличивается с ростом скорости потока и уменьшается при увеличении температуры (начального давления) потока.

Анализ показал, что в некотором диапазоне параметров рост кавитационных пузырей определяется не инерционными эффектами, а процессом теплопередачи в растущий пузырь. Однако если в объеме неподвижной воды скорость роста пузырей определяется 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 пузырей увеличивается. В результате возрастает роль инерционных эффектов. Очевидно, что должна существовать область параметров, 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 и перегревов жидкости относительно температуры насыщения в результате падения давления при кавитации скорость роста паровых пузырей определяется процессом теплопередачи.

Проведенные исследования кавитационных явлений позволили выявить основные факторы, определяющие особенности кавитационных характеристик насосов в воде различной температуры.

Для выяснения связи между теплофизическими параметрами, определяющими процесс парообразования, и параметрами, которые 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 давления вдоль поверхности лопатки в рабочем канале насоса и изображена кавитационная зона с некоторой средней для проточной части насоса толщиной δ. Расход через кавитационную зону

261

На входе в кавитационную зону жидкость становится перегретой относительно температуры насыщенных паров на температуру ∆t из-за падения давления перед зоной ниже давления насыщения_на некоторую среднюю для проточной части насоса величину h , если h выразить в метрах столба перекачиваемой жидкости, т. е.

где dt/dp — производная от температуры по давлению, взятая вдоль кривой фазового превращения.

Перед кавитационной зоной должен быть некоторый участок (рис. 6.20), на котором жидкость может находиться в метастабильном состоянии и начинается замедленный рост кавитационных пузырей.

На участке lисп кавитационной зоны часть жидкости испаряется, температура потока снижается в результате затраты тепла на испарение. В области рабочих каналов насоса, где давление увеличивается, паровая фаза конденсируется (участок lк).

Без учета потерь на входе в рабочие каналы насоса_(которые обычно относительно малы) связь между значением h и кавитационным запасом ∆h выражается зависимостью

h = hg − h ,

где ∆hg— динамическое падение давления на входе в рабочие каналы насоса.

Рис. 6.20. Картина кавитационной каверны

262

Изменение значения h при работе на горячей воде и определяет зависимость кавитационной характеристики насоса от температуры воды или теплофизических свойств перекачиваемой жидкости.

Из теплового баланса и уравнения (6.30) был найден объемный расход пара Vп в кавитационной зоне в предположении, что парообразование происходит равновесно, тепло на испарение отбирается только из той части жидкости, которая проходит через кавитационную зону:

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 жидкости к кавитации» параметр В, подобный параметру К, предлагался А. И. Степановым [ 1, Введение]. Связь между параметром К и параметром В, предложенным для обобщения кавитационных характеристик при различных теплофизических свойствах жидкости, выражается уравнением

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 процессе испарения, так и скорость роста паровых пузырей в реальном кавитационном процессе в горячей воде. Анализ кавитационных характеристик насосов при различной температуре воды показал, что изменение параметров насоса в режимах развитой кавитации зависит от нескольких факторов:

263

расходного паросодержания в кавитационных зонах, которое определяется температурой (параметром К) жидкости и степенью термодинамической равновесности процесса, которая, в свою очередь, зависит как от теплофизических свойств жидкости, так и от масштабных факторов;

от структуры течения в кавитационных зонах, которая зависит 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 условия (6.29), оценивалось по изменению срывного кавитационного запаса hср с помощью кавитационного коэффициента, определяющего

подобие срывных кавитационных режимов при работе насоса на холодной воде:

где nsM1 — функция, учитывающая влияние соотношения между размерами кавитационных зон и проходными сечениями рабочих каналов; Q M 2 = (Vn / nd 3 )M 2 — параметр, который характеризует расходное паросодержание в кавитационных зонах (nd3— величина, пропорциональная подаче насоса); ψ— параметр, учитывающий влияние индивидуальных конструкционных особенностей насоса; M1, М2, М3 — показатели степени, зависящие от температуры и учитывающие интенсивность влияния указанных параметров на коэффициент.

Поскольку М3 = const, т. е. относительное влияние индивидуальных геометрических особенностей насоса на его кавитационную 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

δ qIIt / δ qII = x(t, ns ).

На основе полученных в опытах кавитационных характеристик для насосов ns = 600, ns= 140 и ns = 80 получены зависимости x(t, ns) (рис. 6.21). Поскольку при критических параметрах парообразования кавитация не происходит, было принято

x(tкр) = р.

Из этих зависимостей видно, что у насосов с большим значением коэффициента быстроходности ns, имеющих более короткие и широкие рабочие каналы, относительное изменение кавитационных характеристик с ростом температуры меньше (значение

264

ns насоса. Значение кавитационного запаса на горячей воде рекомендуется определять по формуле

При построении искомой кавитационной характеристики допускается, что в соответственных точках характеристики при работе на горячей и холодной воде значения напора Н одинаковы.

Поскольку параметр парообразования К характеризует не только относительный уровень образующихся в жидкости паровых объемов, но и динамику роста кавитационных пузырей, можно принять, что кавитационные характеристики насоса при работе на жидкостях с одинаковыми значениями параметра К будут одинаковы. Тогда, используя зависимость (6.5), можно определить температуру воды t, при которой кавитационные характеристики насоса на используемой жидкости и воде будут одинаковыми, и по указанной выше методике найти кавитационную характеристику при работе насоса на этой жидкости.

По характеристикам, полученным в результате пересчета, определяется область допустимой кавитации, в которой возможна в течение некоторого времени эксплуатация насоса.

Экспериментальные методы обнаружения и исследования кавитации. Наиболее старый, но до сих пор самый распространенный 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 рв с определяют основные параметры насоса (Q, Н, N, п), затем рассчитывают кавитационный запас в метрах столба перекачиваемой жидкости ∆h и строят графики H=f( ∆h) 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 кавитационный запас в А раз, т. е. допустимый кавитационный запас равен ∆hg=A∆hкр.

Следует заметить, что определенное таким образом начало кавитации является условным. На самом деле собственно кавитация начинается при значениях ∆h, существенно превышающих ∆hкр, однако чувствительность метода не позволяет этого

266

определить. Более точно начало кавитации определяется по изменению виброакустических характеристик (например, по общему уровню вибраций). Обнаружено, что изменение акустических характеристик происходит значительно раньше, чем энергетических, т. е. акустический метод дает более точную информацию о начале кавитации.

Во многих случаях, особенно если насос работает при больших частотах вращения (с относительными скоростями потока W1> 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 лаковыми покрытиями на основе феноловых смол и проводят кратковременные 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 является метод визуализации, который использует стробоскопирование, скоростные фотои киносъемки и позволяет представить детальную 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 последствий кавитации, в частности устранение изменений энергетических характеристик насосов, может быть достигнуто с помощью различных конструкционных мероприятий, некоторые из них приводятся ниже.

1. Применение специальных рабочих колес, имеющих повышенные кавитационные свойства за счет расширения входной части колеса и лопаток двойной кривизны, вытянутых в сторону всасывающей воронки. В этом случае колеса приобретают бочкообразную 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 применяемых колес. В малых насосах, работающих с относительно низкими скоростями потока (W1<15 м/с), такие колеса находят широкое применение и обладают достаточно большим ресурсом.

Попытки применения таких колес в мощных ГЦН не дали положительных результатов из-за быстрого эрозионного износа и повышения вибрации.

267

2.В последнее время наиболее широкое применение для повышения кавитационных свойств насосов нашли так называемые предвключенные шнековые или осевые насосы, позволяющие повысить С до 3000 и даже более. Сами шнеки во многих случаях работают

врежимах развитой кавитации, однако создают необходимый поднор для работы центробежной ступени. Применение специальных профилей лопастей (так называемых суперкавитирующих) позволяет во многих случаях практически устранить кавитаиионный износ предвключенных колес. На АЭС предвключенные колеса устанавливаются обычно

вконденсатнопитательпых 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.

268

Г л ав а 7 И С П ЫТ АН И Я НА С О С НОГ О А Г РЕ Г АТ А

7 . 1 . ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ

7 . 1 . 1 . ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОТРАБОТКИ Экспериментальная отработка ГЦН является одним из важнейших 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 проводятся:

оптимизация ее геометрии в целях получения требуемой гидравлической характеристики при возможно высоком КПД;

изучение кавитационных характеристик; 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 штатных режимах, включая переходные (пуск, остановка, разогрев, расхолаживание, стоянка в горячем резерве), так и при возможных аварийных ситуациях в системах, обслуживающих насос. Поскольку безопасная работа ГЦН обеспечивается рядом аварийных 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 минимальным по срокам без ущерба для качества испытаний. Наиболее удачно эта задача решается при внедрении метода ускоренной

269

экспериментальной отработки, основная идея которого заключается в проведении предварительных испытаний ответственных узлов ГЦН на специальных стендах с последующей проверкой на натурном образце только тех вопросов, которые по техническим причинам нельзя довести на отдельных узлах. Поузловая отработка позволяет вести испытания сразу на нескольких стендах, что существенно сокращает сроки экспериментов. Наиболее приспособлены к использованию этого метода конструкции водяных ГЦН с контролируемыми протечками и насосов для жидких металлов. Герметичные ГЦН по своим конструкционным особенностям позволяют использовать поузловую отработку в гораздо меньшей степени, так как почти невозможно технически обоснованно выделить какие-либо элементы конструкции для раздельных 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.

Проведено исследование характеристик Q, H, осевых и радиальных сил с доводкой конструкции в целях получения приемлемых их величин и кавитационных характеристик. Кроме того, на неподвижных прозрачных моделях с коэффициентом моделирования 1:4,5 исследовались гидродинамические характеристики направляющего аппарата и сборной гидравлической камеры для оптимизации их геометрии и получения минимальных гидравлических потерь. Эти эксперименты проводились как при продувках на воздухе, так и при проливке на холодной воде.

Гидростатический подшипник (натурный образец) отрабатывался 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 подшипника испытывался па отдельном стенде, конструкция которого позволяла варьировать нагрузку и частоту вращения.

Характеристики уплотнения с плавающими кольцами исследовались 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 других реакторов.

270