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

На первом этапе (вал не вращается) экспериментально проверяется величина протечек при минимальном перепаде давления на кольце, расчетной высоте уплотнительных колец и нулевом эксцентриситете кольца относительно вала и рассчитывается по общепринятой методике [8]. Возможное расхождение результатов расчета и эксперимента объясняется главным образом геометрическими искажениями уплотнительной щели. На изменение зазора между кольцом и валом при наличии давления в стенде в значительной степени влияет деформация деталей уплотнения и корпуса стенда, поэтому при проектировании стендов для исследования уплотнений с такими габаритами особое внимание должно быть обращено на сведение к минимуму деформаций, вызываемых перепадом давления и изменением температурного 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≥ε≥-1) при отсутствии вращения измерить суммарную силу сопротивления R передвижению плавающего кольца:

где Т — сила трения; Г — подъемная сила.

В крайних положениях, когда кольцо упирается в вал, учитывается реакция вала. Если жесткость вала на изгиб много больше жесткостной пленки между кольцом и валом, то должно наблюдаться резкое возрастание измеряемого усилия, что позволяет установить момент касания кольца о вал. При таком положении кольца и вала (ε=1) подъемная сила кольца имеет максимальное значение:

Выражения (7.4) и (7.5) составлены исходя из предположения об идеальной геометрии рабочих поверхностей и отсутствии перекоса. Величины Т и Гмах можно определить несколькими методами.

Первый метод предусматривает построение по экспериментальным данным [зависимости R = f(x), где х — перемещение кольца по линии центров, измеряемое от одного из крайних положений кольца]. Если бы вал не имел прогиба и перемещения в подшипниках, то связь между величинами х и ε могла бы выражаться формулой

292

где δ — радиальный зазор.

По графику в соответствии с (7.5) при х = δ = ∆d/2, где ∆d — диаметральный зазор (т.е. при ε = 0), определяется сила трения, а затем по (7.3) и (7.4) — максимальная подъемная сила кольца.

Второй метод применим только в тех случаях, когда Гмах > Т. При этом при освобождении кольца в крайнем положении (ε = 1) оно отходит от вала на некоторое расстояние В = δ (1 — εk), где εk — относительный эксцентриситет после окончания движения кольца. В дальнейшем для краткости процесс перемещения кольца от вала под действием подъемной силы будем называть «всплытием», а В — « величиной» всплытия.

При медленном освобождении кольца можно исключить влияние силы инерции на характер его перемещения в процессе всплытия. Тогда в конце всплытия кольцо остановится в точке х = хk, для которой должно выполняться равенство

Максимальную гидравлическую подъемную силу находят так же, как и в первом методе:

Измеряя усилие, необходимое для страгивания кольца из соосного положения (ε = 0), в соответствии с (7.5) получаем значение силы трения.

Исследования (в частности, исследования на ГЦН реактора РБМК) показали, что 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. Па этом этапе испытательное устройство должно позволять исследовать работоспособность колец различного конструкционного исполнения (неразгруженных и разгруженных) для таких случаев:

биение вала меньше радиального зазора; биение вала равно радиальному зазору;

293

биение вала больше радиального зазора.

Такое устройство (рис. 7.16) в данном случае представляет собой часть вала ГЦН, вращающегося в собственных подшипниках, которая вместе с натурным блоком уплотнения смонтирована в прочном корпусе 4. Осевое усилие воспринимается упорным диском 1. Испытательное устройство целесообразно разместить рядом с устройством для исследования единичного кольца, и тогда вспомогательные системы будут общими на обе конструкции. 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 давлений от 0,15 до 1,5 МПа с различными торцовыми и радиальными зазорами. Ресурсные испытания уплотнения с диаметральными 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 гидродинамических торцовых уплотнений достаточно полно изложена в [38, 42, гл. 3]. Здесь остановимся лишь на некоторых

Рис. 7.16. Стенд для испытания блока уплотнения плавающими кольцами: 1 — упорный

диск; 2 — подача воды в пяту; 3 — уплотнение; 4 — корпус; 5 — электродвигатель; 6 — верхний радиальный подшипник; 7 — мерный бачок; 8 — сливной бак; 9 — насос; 10 — холодильник; 11 — фильтр

294

особенностях отработки гидродинамического торцового уплотнения с малыми протечками (не более 0,05 м3/ч). Главной проблемой при конструировании такого уплотнения, как уже упоминалось ранее, является обеспечение во всех режимах работы стабильной жидкостной смазывающей пленки в уплотняющем подвижном контакте, что гарантирует безызносный режим трения. Это оказалось непосредственно связано со стабильностью макрогеометрии уплотняющих поверхностей, независимо от применяемых материалов [9. 10]. Задача стабилизации макрогеометрии оказалась чрезвычайно трудной потому, что основу работоспособности торцовых уплотнений составляет контактирование оптически плоских поверхностей. Ширина рабочего зазора лежит в пределах от нескольких долей микрона до нескольких микрон, и нарушение макрогеометрии даже на несколько микрон приводит к изменению характеристики уплотнения. При некотором пределе нарушение вызывает выход уплотнения из строя. Между тем термические и силовые деформации деталей, образующих контактирующие поверхности, и деталей, соприкасающихся с ними, в условиях высоких давлений и переменных температур, а также 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 перемещения деталей не приводили к искажению рабочих поверхностей даже на несколько микрон. Выяснение указанных обстоятельств предопределило принципиальный подход к методике отработки уплотнения вала (см. рис. 3.34) для модернизированного 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 модификаций которых прошли испытания на первом этапе на специальном стенде. По своему типу первые конструкции уплотнений были торцовыми механическими контактными с элементами гидродинамики. Поскольку считалось, что такие уплотнения принципиально неработоспособны в условиях ГЦН, предполагалось по достижении некоторого предельного давления, при котором контактное уплотнение 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 процессов, происходящих в уплотнении при работе.

295

Для проведения экспериментов был спроектирован стенд (рис. 7.17), позволявший 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 размещается на 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.

Рис. 7.17. Испытательный узел и схема стенда для экспериментальных работ по торцовым уплотнениям: — водяной контур; — масляный контур; 1, 3 — масло насоса; 2, 9, 14 — холодильники; 4 — аварийная емкость; 5, 13 — баллоны для воздуха; 6, 10 — фильтры; 7, 11 — компенсаторы объема; 8 — ходовая часть с испытываемым узлом; 12 — мультигидроциклон; 15, 16 — центробежные насосы; 17 — водяной бак; 18 — масляный бак

296

Верхняя опора (радиальный подшипник скольжения) размещен» в рабочей полости стенда и смазывается водой. Испытания уплотнений начались после экспериментального 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 (безызносный 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 установлено в опытный ГЦН. где работоспособность его была проверена как в штатном режиме работы, так И в возможных аварийных 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 но восстановлению охлаждения. Прекращение подачи запирающей воды даже на более длительный срок не приводило 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 специальном, так и на натурном стендах не превысил 4 мкм и не влиял на рабочие характеристики уплотнения.

Необходимо отметить, что испытания уплотнений в переменных температурных режимах показали, что главная цель, которая ставилась при проектировании этих уплотнений,— максимальная стабилизация макрогеометрии поверхностей в уплотняющем контакте, исключающая изменение рабочих характеристик уплотнения при изменении параметров работы, в данных конструкциях не достигнута в полном объеме. Уплотнения, находясь под высоким перепадом давления, меняли свои рабочие характеристики (потребляемая приводом мощность, протечки) при изменении температуры, что свидетельствовало о неполной стабилизации макрогеометрии. Однако в условиях стенда указанная нестабильность не нарушала безызносный режим трения в уплотняющем подвижном контакте, а мощность и протечки изменялись в приемлемых пределах.

При последующей эксплуатации уплотнения было обнаружено, что износ трущихся поверхностей атмосферной ступени не превышал 2 мкм, однако на поверхности

297

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 уплотняющем подвижном стыке. Аналогичные явления отмечены и при эксплуатации уплотнений зарубежных ГЦН [33, гл. 3].

При модернизации конструкции предусмотрены более полная стабилизация макрогеометрии и контроль за качеством графита, что позволило ликвидировать обнаруженный недостаток и создать надежное торцовое уплотнение вала с малыми протечками. Элементы уплотнения показаны на рис. 7.18.

Отработка торцовых уплотнений жидкометаллических насосов. Герметизация вала в насосах для жидкого металла осуществляется двойным торцовым уплотнением. Запирающей средой в УВГ является жидкое минеральное масло. Выбор запирающей среды предопределяется ее совместимостью с натрием. Важнейшее требование высокой герметичности уплотнения, особенно контурной ступени, обусловлено тем, что попадание масла в первый контур отрицательно сказывается на работе реактора.

Процессы, протекающие в контактирующей паре, весьма сложны для теоретического описания, поэтому задача создания этого уплотнения наиболее эффективно решается на основе детальных экспериментальных исследований. Отработка УВГ натриевых 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 выходного конца вала которой совпадают с посадочными размерами валов штатных насосов. Ходовая часть имеет газовую полость. Герметичность газовой полости обеспечивается испытываемым торцовым уплотнением. На 1,5—2 м выше уплотнения установлен бак с маслом,

Рис. 7.18. Отдельные элементы торцового уплотнения на малые протечки

298

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 опытного 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;

протечки через нижнюю (герметичную) и верхнюю (атмосферную) 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 страгивания. При динамических испытаниях давление повышается поэтапно. После работы на каждом режиме в течение 150—200 ч проводится ревизия уплотнения в целях своевременного обнаружения 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 отечественных натриевых насосов, в частности, проверялись следующие пары трения:

Оптимальная область нагружения этой пары в масляной среде (размер колец 150—300 мм) равна 0,18— 0,22 МПа. Мощность, потребляемая таким уплотнением, составляет около 4,5 кВт, температура неподвижных колец пары трения 70—80° С, расход охлаждающей воды примерно 1 м3. Завершающая стадия — ресурсные испытания в течение нескольких 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 режимы:

299

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 аварийные полости. И хотя проведение этих экспериментов на опытном насосе в условиях натурных стендов требует повышенного внимания 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 контуров реакторов БОР-6О, БН-350 и БН-600 при суммарной протечке (через контурную и атмосферную пары) не более 50 см3 /ч.

7 . 2 . Н АТ УРН Ы Е И СП Ы Т АН ИЯ НА С О С НЫ Х АГ РЕ Г АТО В

Натурные испытания являются заключительным этапом экспериментальной 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 электропривод, и т. п.);

влияние на работоспособность ГЦН различных отклонений в режиме работы обслуживающих систем.

Приведенный укрупненный состав программы испытаний опытного образца ГЦН характерен и для водяных, и для жидкометаллических насосов.

Программа должна предусматривать также проверку характеристик и работоспособности ГЦН во всех режимах, предусмотренных регламентом использования насосов в составе ЯЭУ.

Следует особо отметить, что в ряде случаев условия нахождения ГЦН в горячем резерве могут оказаться для некоторых узлов более неблагоприятными, чем рабочие

300