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

Волнистость зеркала пяты при изготовлении не должна превышать 0,03 мм мо 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 шероховатости поверхности колодки, равном 6,3 мкм, несущая способность подшипника существенно снижается.

Геометрические соотношения конструкционных элементов. Для нормальной работы подпятника точка опирания колодки должна быть смещена по направлению вращения относительно центра тяжести рабочей поверхности упорной колодки. Смещение ОО1 (рис .3.15. 6) — тангенциальный эксцентриситет колодки выражается в миллиметрах или в процентах по средней тангенциальной длине упорной колодки х = (e1/l)100%. Он считается положительным, если точка опоры О1 смещена относительно центра тяжести рабочей поверхности колодки О по направлению вращения, и отрицательным, если точка О1 смещена относительно точки О против направления вращения.

колодок к площади поверхности кольца радиусов r1 и r2 равно 0,7÷0,85; толщина колодки H2 = (0,25 ÷0,50)b; суммарный зазор с обеих сторон кольца ∆=0,24 ÷0,8 мм; длина заходного с коса l1=0,1; расстояние между колодками 18÷43% l.

Рис. 3.17. Схема работы гидростатического подшипника:

1 – дроссель; 2 – рабочая камера; 3 – коллектор; 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 подшипниками [9—15]:

использование в качестве смазки перекачиваемой жидкости при рабочей температуре, что позволяет встраивать ГСП непосредственно за рабочим колесом и дает возможность уменьшить консоль вала и соответственно повысить критическую частоту вращения;

71

высокая несущая способность при любой частоте вращения вала (даже равной нулю);

небольшие потери на трение благодаря чрезвычайно низкому коэффициенту

трения [(4—7,5) ·10 - 6 ];

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 меньшей степени для

подшипника с взаимообратным щелевым дросселированием) при наличии некоторого перекоса вала, что совершенно 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 подплиточным 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 предпочтительным 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. Коллектор 3 соединен отверстием 4 со стороной высокого давления, а по торцам А и Б — со стороной низкого давления источника 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 определятся следующим выражением:

где рк, — давление в коллекторе; ∆рд — потери давления при протекании жидкости через дроссель.

Так как все камеры соединены с общим коллектором, то при одинаковых дросселях у всех камер и концентрическом расположении вала (эксцентриситет e = 0) в подшипнике расходы жидкости через камеры, потери в дросселях и, следовательно, давления в камерах также будут одинаковы. Если сместить вал по направлению к какой-нибудь камере (т. е. e ≠ 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 дросселе. Одновременно в диаметрально противоположной камере давление упадет. Таким образом, при смещении вала от концентрического положения создается разность

72

давления 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 состоянии. 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 1 выполнен из стали 20X13. На его внутренней поверхности равномерно по 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, изготовленная также из стали 20X13. Чтобы зафиксировать положение 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 рассмотрена в гл. 4. Позднее ГСП насоса РБМК был усовершенствован (рис. 3.19). Со стороны фланца корпуса подшипника в специальной выточке был помешен вкладыш 1 из силицированного графита, предназначенный для предохранения рабочей поверхности ГСП от оплавления и схватывания при пусках и непредвиденном прекращении питания. Зазор в ГСИ в зоне вкладыша на 0,1 мм меньше, чем зазор в рабочей части подшипника. С целью обеспечить постоянный радиальный зазор при изменении рабочей температуры вкладыш выполнен из шести отдельных сегментов, поджатых в осевом и радиальном направлениях коническими кольцами 3 с упругим элементом 4.

Рис. 3.18. Схема камерного ГСП насосов реактора РБМК-1000:

1 – корпус; 2 – дроссель; 3– рабочая камера; 4 – сливное отверстие; 5 – шпонка

73

Чтобы предохранить графитовые сегменты от размыва, слив из ГСП организован на всасывание рабочего колеса по сверлению вала 5. В паре с вкладышем работает втулка 2 из стали 20X13 с плазменной 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 «Rapsodiе» [6, гл, 2]. Питание подшипника осуществляется (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 колмоноем.

Дроссельные ГСП используются также в ГЦН фирм «Zulzer», «Guingard» и в осевых насосах фирмы КSВ [16].

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 продольные мелкие канавки на этих поясках препятствуют наволакиванию металла при пуске и остановке. Рабочая поверхность корпуса наплавлена стеллитом ВЗК толщиной до 3 мм. В рабочие камеры теплоноситель через дроссели 7 подается под давлением из напорной кольцевой камеры 2. Против каждого дросселя предусмотрены пробки 9, позволяющие при необходимости заменять дроссели. Слив воды из ГСП осуществляется через отверстия 3 на всас рабочего колеса. Крышка 10 подшипникового узла уплотняется по притертым поверхностям. Пять шпонок 8 позволяют корпусу ГСП свободно перемещаться при температурных расширениях с сохранением соосности с корпусом насоса. Рабочая поверхность втулки из стали 10Х18Н9Т, напрессованной на цапфу вала, наплавлена стеллитом ВЗК. В данной компоновке вместе с радиальным ГСП встроена и пята 1.

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 БОР60. Он имеет шестнадцать рабочих камер 5, каждая из которых соединена винтовыми канавками 3 размером 20×20 мм с диаметрально противоположной регулировочной

75

камерой 2. Подача натрия в ГСП осуществляется непосредственно из заколесной полости ГЦН. Давление в рабочих камерах регулируется двумя переменными сопротивлениями: на входе в рабочую камеру и на выходе из нее. Причем при сближении с втулкой в камерах с уменьшенным зазором входное сопротивление падает, а выходное возрастает. В камерах с увеличенным зазором картина противоположная. В результате возникает больший перепад давления по сравнению с тем, когда на входе имеется постоянное сопротивление (дроссель). Следовательно, при одинаковых габаритных размерах и прочих равных условиях (используемый перепад, эксцентриситет) этот ГСП имеет грузоподъемность несколько выше, чем ГСП с постоянными дросселями. При диаметре вала 270 мм в данном ГСП радиальный зазор составляет 0,3 мм. Корпус 8 и втулка 7 на валу изготовлены из стали Х18Н9 с наплавкой по рабочим поверхностям стеллитом ВЗК. Подшипник такого типа известен как ГСП с взаимообратным щелевым дросселированием [17, 18]. Как уже отмечалось выше, он более чувствителен к перекосу, чем подшипники других конструкций. Дело в том, что при перекосе, когда, например, зазор 6 уменьшается, зазор 1 увеличивается 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

Рис. 3.21. Схема гидростатического подшипника с взаимообратным щелевым дросселированием насоса реактора БОР-60:

76

(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 грузоподъемность.

Дросселирование в щелевом подшипнике, как уже говорилось, осуществляется в зазоре между неподвижным корпусом и вращающимся валом со стороны рабочего колеса. Это значительно снижает чувствительность его ко всякого рода механическим включениям в теплоносителе в связи с тем, что они «перетираются» в этом зазоре. Кроме того, если вал смещается параллельно втулке, то даже при износе уплотнительных поясков (до некоторых пределов) не изменяется соотношение между перепадом давления на уплотнительных поясках рабочих и регулировочных 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 изготовлении и повышенной чувствительности к перекосам вала, относятся большие геометрические размеры из-за наличия регулировочных камер, увеличенный (в 2—4 раза) по сравнению с дроссельными ГСП расход питающей жидкости. Кроме того, в этой конструкции по длине регулировочных камер и на их уплотняющих 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 ГСП с гидравлическими регуляторами расхода может представлять собой наружные золотниковые или встроенные непосредственно в рабочие камеры шариковые обратные клапаны, которые автоматически срабатывают 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 применять в насосах, имеющих значительные радиальные силы (в частности, в результате дисбаланса, появляющегося в процессе 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 анизотропность уменьшается с

77

увеличением числа камер. При шести камерах анизотропность несущественна, а при десяти — характеристики ГСП практически изотропны.

Своего рода «гибридным», т. е. промежуточным между гидродинамическим 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 подшипнике развиваются заметные гидродинамические силы. Даже при невращающемся вале грузоподъемность такого подшипника с питанием от постороннего источника не хуже, чем у камерных ГСП.

Этот подшипник известен как гидростатодинамический. В гидростатодинамических подшипниках при увеличении частоты вращения вала грузоподъемность возрастает в гораздо большей степени, чем в камерных [19]. Впервые гидростатодинамический подшипник был применен на натриевых насосах английского реактора РFR [20, 21]. Подшипник (рис. 3.22) состоит из корпуса 1, выполненного в виде гладкой втулки с

Рис. 3.23. Гидростатодинамический подшипник насосов реактора БОР-60 (один из вариантов):

1 – дроссель; 2 – напорный коллектор; 3 – корпус подшипника; 4 – рабочая поверхность

78

камерами 4 диаметром 20 мм, расположенными в два ряда на одинаковом расстоянии от торцов, в которые ввернуты штуцера 5 с дроссельными отверстиями. Диаметр вала подшипника 200 мм. Натрий на подшипник подается с напора насоса через фильтры. Так как при уменьшении частоты вращения грузоподъемность подшипника 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 высокотемпературной 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 вращении вала 1500 об/мин его грузоподъемность равнялась 19,6 кН. Подшипник работал без сухого 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 подшипников некоторых отечественных ГЦН с уплотнением вала.

Гидростатические осевые подшипники имеют меньшее распространение, чем гидродинамические. Принцип работы этих подшипников поясняет рис. 3.24. При сближении поверхностей пяты 4 и подпятника 1 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 давления между ними возникает момент сил, стремящийся вернуть упорный диск в исходное положение.

Рис. 3.24. Схема гидростатического осевого подшипника:

1 – нижний подпятник; 2 – дроссель; 3– верхний подпятник; 4 – пята; 5 – рабочие камеры

79