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

7 . 1 . 3 . О Т Р А Б ОТ К А П Р ОТ О Ч Н О Й Ч А С Т И Модельные испытания. Методически и технически правильно проведенная

отработка проточной части на уменьшенных моделях позволяет в существенно более короткие сроки и с меньшими затратами выбрать оптимальную геометрию рабочих органов и избежать сложной и дорогостоящей доработки натурной проточной части. При испытаниях осуществляется вначале проливка модели проточной части, а затем испытание при вращении. Изготовленная из оргстекла прозрачная модель проточной части при проливке се водой позволяет вести визуальное наблюдение картины течения в подводящем и отводящем каналах насоса, обнаруживать и устранять вихревые зоны, отыскивать оптимальные 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.

Рис. 7.1. Модель для проливки проточной части:

1 — заслонка; 2 — корпус; 3 — направляющий аппарат; 4 — решетка

На рис. 7.2 и 7.3 представлены полученные 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 применения аэродинамических испытаний моделей из неметаллических 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).

271

Аэродинамические испытания моделей позволяют отрабатывать 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, зависит от размеров отрабатываемой проточной части и возможностей испытательного стенда.

Рис. 7.4. Модель насоса для аэродинамических испытаний:

1 — приводной электродвигатель; 2 — испытываемая модель; 3 — шибер для изменения расхода; 4 — ртутные дифманометры

272

Рис. 7.5. Результаты испытаний модели на воздухе и на воде:

1 — характеристика, полученная при аэродинамических испытаниях; 2 — данные, полученные при испытаниях на воде

Для изготовления моделей рабочих колес при аэродинамических 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 холодной воде. При этих испытаниях можно определить все характеристики проточной части насоса, включая кавитационные. Детально вопросы исследовании кавитационных характеристик, в том числе и на моделях, рассмотрены в [1]. Заметим только, что при исследовании кавитационных характеристик на уменьшенной модели из-за невозможности обеспечить одинаковые объемные КПД модели и натуры пересчет результатов модельных 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 испытаний 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.

Рис. 7.6. Схема стенда для модельных испытаний:

1, 11, 14 — задвижки; 2, 9 — сужающие устройства; 3 — основная трасса; 4 — модель насоса; 5 — трасса слива протечек; 6, 10 — вентили; 7 - трасса слива протечек через уплотнение; 8 — ротор; 12 — змеевик; 13 — кавитационний бак

273

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 испытаний в трассу встраивается кавитационный бак. На рис. 7.6 изображена принципиальная схема такого стенда, использовавшегося для испытания модели насоса реактора РБМК. Он состоит из основной трассы 3 с задвижками 1, 11, 14 и кавитационного бака 13, трассы слива протечек 5 через разгрузочную камеру с вентилем 10, трассы слива протечек 7 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 1, 14 служат для регулирования расхода, а задвижка 11 регулирует подпор во всасывающем трубопроводе ГЦИ. 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, соответствующих различным стадиям развития кавитации. В процессе этих исследований устанавливаются подпоры:

минимальный избыточный, при котором не проявляется никаких признаков кавитации;

избыточный, при котором обнаруживается эрозионное воздействие жидкости (без изменения напора);

критический избыточный, при котором появляются устойчивые 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, обеспечивать такие условия проведения испытаний, чтобы при достижении кавитационных режимов, приводящих к снижению напора, не допустить аварии испытываемого ГЦН. Например, если испытываемый насос имеет гидростатические подшипники, питаемые водой с нагнетания его рабочего колеса, следует учитывать тот факт, что при достижении развитой кавитации напор может снизиться настолько, что ГСП при этом окажется уже неработоспособным. Это усугубляется тем, что в режиме кавитации могут увеличиться радиальные гидродинамические силы, что

274

также создает еще более неблагоприятный режим работы ГСП, который в ряде случаев можно исключить, если при кавитационных испытаниях организовать питание ГСП от постороннего источника.

Для определения кавитационных характеристик в испытательном стенде, выполненном по замкнутой схеме (герметичный стенд), изменяется давление в кавитационном баке путем откачки газа вакуумным насосом и на всасывании испытываемого насоса достигаются давления, соответствующие различным стадиям кавитационного процесса [2]. Характеристики на холодной воде с успехом можно определить на модельном насосе с последующим пересчетом на натуру по известным формулам подобия. При этом необходимо, чтобы модель насоса была подобна натуре по всем геометрическим размерам без исключения. Следовательно, должны быть подобны и зазоры в лабиринтном 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 затруднениям при создании уменьшенных по сравнению с натурой моделей, так как требуется повышенная точность изготовления для предотвращения задевания рабочего колеса о лабиринтное уплотнение. Без выполнения этого требования полученные на модели результаты не будут достаточно представительными и потребуется проверка кавитационных характеристик на натурном ГЦН.

При испытаниях на холодной воде легко определяется избыточный подпор, при котором обнаруживается эрозионное воздействие жидкости [3]. Для этого на колесо наносится легко разрушающееся лаковое покрытие. После каждого кратковременного (примерно 30 мин) режима работы проводится осмотр колеса. Подбором профиля лопаток рабочего колеса можно устранить наиболее неблагоприятные зоны, в которых прежде всего начинается процесс кавитации. Проверка кавитационных характеристик на натурных ГЦН может отличаться некоторыми особенностями. Прежде всего, для насосов с достаточно большой 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. Поэтому приходится отказываться от устройства в циркуляционной трассе стенда бака со свободным уровнем. Целесообразно в этом случае устанавливать кавитационный бак на байпасе. Возможная схема такого стенда представлена на рис. 7.7.

275

При кавитационных испытаниях можно наблюдать явление, когда при снижении давления на всасывании возникает кавитация и в некоторых местах основной трассы, что увеличивает ее сопротивление. В этом случае для поддержания постоянного расхода необходимо открыть регулирующий орган в циркуляционной трассе . Для измерения кавитационных характеристик на горячей воде целесообразно применять специальное устройство, непосредственно измеряющее разность между давлением на всасывании и давлением насыщенных паров при температуре перекачиваемой воды [4]. Принципиальная схема такого устройства приведена на рис. 7.8.

Рис. 7.8. Схема устройства для исследования кавитации::

1 — дифманометр; 2, 4, 7— 9, 11 — заслонки; 5 — воздушная трубка; 6 — баллончик; 10 — холодильник; 12

—мерная колба

Рис. 7.9. Схема установки кавитационного баллончика:

Прн неправильно сконструированном стенде в циркуляционной трассе кавитация может возникнуть раньше, чем в насосе, и в такой степени, что не позволит сиять частную кавитацнонную характеристику при данной подаче.

277

Главным элементом устройства является расположенный в потоке жидкости баллончик 6, заполненный до некоторого уровня перекачиваемой жидкостью. Во внутренней полости баллончика благодаря частичному заполнению устанавливается давление, равное давлению насыщенного пара при температуре, которую имеет омывающая баллончик жидкость. Дифференциальный манометр 1, подключенный к баллончику и ко всасыванию насоса, непосредственно измеряет перепад 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 обьем из жидкости (если она недостаточно деаэрирована).

Баллончик и импульсные трубки заполняются водой в момент заполнения стенда. При этом все вентили, исключая вентиль 11, открыты. Через вентиль 7 по трубке 5 выпускается воздух из баллончика. По окончании заполнения проводятся продувка дифманометра и установка нулевого значения перепада открытием уравнительного вентиля 2. После этого все вентили, кроме 4, закрываются. При достижении температуры воды в трубопроводе 130° С открываются вентили 9, 11 и из баллончика сливается половина объема, что контролируется с помощью мерной колбы 12. Для предотвращения парения дренирование баллончика осуществляется через холодильник 10. Перед началом дренирования закрывается вентиль 4. При измерении перепада давлений 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 организовать некоторый постоянный приток жидкости. В схеме, показанной на рис. 7.9, это осуществлено с помощью трубки 5. Измеренный таким устройством избыточный подпор па всасывании подсчитывается по формуле

Так как полностью удалить растворенный газ из циркулирующей жидкости не удается, то дифманометр показывает перепад

где рвс — давление на всасывании; ps — парциальное давление насыщенных паров в баллончике; рг — давление газа.

В широком диапазоне температур с целью увеличения точности измерений устройство может иметь несколько дифманометрои на различный предел измеряемого перепада, подключенных через два коллектора.

278

Следовательно, пренебрежение парциальным давлением газа приведет к завышению требуемого избыточного подпора. Парциальное давление газа можно определить, зная газосодержание и температуру жидкости. Например, при кавитационных испытаниях насоса реактора РБМК парциальное давление газа составляло при температурах 200— 275° С около 0,108 МПа.

7 . 1 . 4 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ СИЛ НА ОПОРЫ НАСОСА Высокие требования к ресурсу ГЦН, который в значительной мере зависит от

работоспособности опор насоса, а также недостаточная точность теоретического расчета делают обязательным при проведении модельных испытаний предварительное экспериментальное определение нагрузок, действующих на опоры. В процессе этих испытаний в конструкцию ГЦН при необходимости вносят изменения с целью получить допустимое значение нагрузок. Нагрузки на опоры в основном зависят от конструкции ГЦН, режимов работы и расположения ГЦН в контуре. 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 эксцентриситета в лабиринтах и

других аналогичных местах с малыми зазорами; статической и динамической неуравновешенности вращающихся масс. При

горизонтальном расположении ГЦН к этим составляющим добавляется масса вращающихся частей.

Вгерметичных ГЦН радиальные нагрузки возникают также вследствие имеющейся силы одностороннего магнитного притяжения, появляющейся из-за эксцентричного расположения ротора электродвигателя в расточке статора. По этой же причине возникает гидродинамическая сила. Обе эти силы действуют в сторону малого зазора.

Вгерметичных ГЦН вследствие особенностей их конструкции осевая сила не зависит от давления на всасывании. В то же время на ее величину влияет давление в различных полостях насоса. Достаточно просто осевые усилия можно определить в герметичном ГЦН путем прямого взвешивания при испытании 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 поправку на силу трения в сальнике 8 и силу, вызванную разностью давлений под крышкой насоса и окружающей средой, которая 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

279