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

Наибольшие потенциальные возможности для практического применения гидростатических подпятников существуют в герметичных ГЦН вследствие сравнительно небольших нагрузок на их ротор. Конструкция такого подпятника приведена на рис. 3.20. В отличие от схемы, рассмотренной на рис. 3.24, рабочие камеры выполнены в неподвижных элементах подшипника.

Интересное решение представляет собой конструкция гидростатической пяты, примененная в английских натриевых насосах ЯЭУ PFR, выполненная в одном блоке с верхним радиальным подшипником и уплотнением вала по газу. Пята для насоса первого контура выполнена односторонней, так как действующие на рабочее колесо осевые гидравлические силы уравновешены. У насоса второго контура (рис. 3.25) пята двухсторонняя. Верхний подпятник является рабочим, нижний пусковым. Подпятники имеют сферические поверхности 2 и 6 для обеспечения дополнительной самоустановки вала при работе.

Гидростатические осевые подшипники по аналогии с радиальными могут выполняться комбинированными (гидростатодинамическими). Несущая способность их обеспечивается суммарным действием гидростатического и гидродинамического эффектов нагнетания жидкости в зазор. Отличительной особенностью их являются размещенные на поверхности подпятника карманы или камеры с подачей в них жидкости от постороннего источника. Глубина карманов сравнима с минимальной толщиной пленки. Несущая способность существует при невращающейся пяте и возрастает по мере увеличения частоты вращения Обеспечение надежности осевого подшипника остается актуальной задачей. Только этим можно объяснить тот факт, что постоянно ведутся работы по увеличению несущей способности подшипников. Предельную удельную нагрузку для колодок «классических» подпятников на минеральной смазке ограничивают уровнем 4,2—5,3 МПа. В то же время большое внимание уделяется созданию быстроходных осевых подшипников скольжения, смазываемых маловязкими немаслянистыми жидкостями, в частности водой. Смазка подшипника водой упрощает конструкцию и уменьшает габаритные размеры его за счет исключения разделительных уплотнений и автономной системы смазки, а главное — устраняет пожароопасность ГЦН и снижает категорию огнестойкости помещения, в котором он размещен [1].

Для работы на маловязких средах, в частности на воде, при максимальной осевой нагрузке 392 кН и скорости скольжения 30 м/с в СССР спроектирован, изготовлен н испытан осевой подшипник с наружным диаметром диска 400 мм, в котором были использованы принципиально новые конструкционные решения (рис. 3.26). Они обеспечивают:

81

получение простыми средствами необходимой исходной макрогеометрии рабочих поверхностей, находящихся в подвижном скользящем контакте;

стабильность достигнутой макрогеометрии рабочих поверхностей при наличии осевых нагрузок, центробежных сил, переменных температур и т. п.;

равномерное распределение удельных нагрузок по всей колодкам за счет их полной соплоскостности.

Рис 3.25. Схема верхнего подшипникового узла реактора PFR:

1 – атмосферная ступень уплотнения вала; 2,6 – сферические поверхности; 3 – рабочая камера; 4 – пята; 5– подпятник; 7 верхний радиальный

Рис. 3.26. Схема осевого подшипника насоса реактора РБМК-1500 (вариант 1):

1 – колодка; 2 – графитовые вкладыши; 3 – вращающееся кольцо; 4 – вал; 5 – корпус радиального подшипника; 6 – диск пяты

82

Рис. 3.27. Общий вид подпятника осевого подшипника насоса реактора РБМК-1500 (вариант 1)

Рис. 3.28. Схема осевого подшипника насоса реактора РБМК-1500 (вариант 2):

1 – корпус насоса; 2 – вращающийся диск; 3 – вал; 4 – колодка; 5 – пакет рессор

Для обеспечения названных условий вращающийся диск 6 разделен на две части, которые соединены между собой так, чтобы свести к минимуму деформации рабочих поверхностей под действием рабочей среды в гидродинамических клиньях [22].

Диск 6 и кольцо 3 контактируют между собой по узкому пояску (линейной опоре). Из расчета следует, что деформации рабочей поверхности указанного составного диска по сравнению с деформацией цельного консольного диска при одинаковой их толщине уменьшается почти в 10 раз. Одновременно с этим для уменьшения температурных деформаций диска приняты меры по его термоизоляции. Полная соплоскостность всех колодой 1 осуществляется обработкой их рабочих поверхностей за одну установку на станке. При этом каждая колодка имеет необходимую подвижность за счет упругих связей в угловом направлении — для создания несущего гидродинамического клина и в осевом направлении для компенсации торцовых

83

биений, которые неизбежны в реальных машинах. Детали 2 осевого подшипника, образующие подвижный скользящий контакт, изготовлены из силицированного графита.

Для уменьшения температурных деформаций, вызываемых различными коэффициентами термического расширения, сопрягаемые с графитом детали 1 и 3 выполнены из титанового сплава. Общий вид подпятника в сборке показан на рис. 3.27.

Подшипник нормально работает под нагрузкой 392 кН и выдерживает пуски-остановки под нагрузкой 245 кН.

Высокую эффективность показал осевой подшипник с самоустанавливающимися колодками различного профиля (рис. 3.28). Упорный диск 2 и основания колодок 4 изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Рабочие поверхности диска и колодок притерты до неплоскостности 2 мкм при шероховатости Rа 0,16. Применены коррозионностойкие антифрикционные материалы пар трения: силицированный графит по силицированному графиту и силицированный графит по специальной наплавке. Испытания проводились в диапазоне окружных скоростей 15—38 м/с. При расходе воды через пяту 1,7 м3/ч температура в межколодочных каналах не превышала температуру воды на сливе и колебалась от 20 до 70° С. Колодки были оснащены бесконтактными датчиками для измерения толщины пленки гидродинамического клина на заходной и выходной кромках. Критерием сравнительной оценки несущей способности подшипника служила толщина пленки на выходной кромке колодки. В результате экспериментальных исследований выяснилось, что наибольшую несущую способность имеют подшипники с нетрадиционной формой рабочей поверхности колодок, обеспечивающие гарантированный жидкостный режим смазки при развитии устойчивого несущего клина в зазоре до удельных нагрузок 4,5 МПа и окружной скорости на периферии диска 38 м/с.

Установлено, что с увеличением скорости скольжения несущая способность пяты, смазываемой водой, возрастает, а смазываемой маслом — падает. Последняя имеет преимущество только в диапазоне малых скоростей скольжения (до 20 м/с), т. е. в той области, где тепловыделения в зоне трения невелики. По мере увеличения скорости скольжения интенсифицируется выделение тепла в трущихся слоях смазки, что приводит к искажению поверхностей скольжения. Эти искажения становятся соизмеримыми с толщиной несущего слоя смазки и приводят к резкому снижению несущей способности пяты. Вода, используемая в качестве смазки, обеспечивает хороший отвод тепла от зоны трения, поэтому тепловые деформации деталей подшипника незначительны. Несущая способность пяты при этом оказывается выше, чем при смазке маслом.

Упорный диск должен обладать достаточно высокой поверхностной твердостью ввиду того, что действие мелких абразивных частиц, неизбежно присутствующих во всякой смазке, является в воде более агрессивным, чем в масле. Очистка воды, применяемой для

84

смазки, должна быть весьма тщательной. При этом следует отдавать предпочтение центробежной очистке, так как наблюдались случаи забивания фильтров осадками, содержащимися в воде. Однако при центробежной очистке не следует забывать, что легкие взвеси (ворсинки после протирки поверхностей тканями и т. п.) свободно попадают в предохраняемый узел и оседают там. Происходит так называемое «заиливание», продукты которого можно удалить обратным потоком воды.

Несмотря на положительные результаты, внедрение осевых подшипников на водяной смазке в ГЦН сдерживается из-за трудностей замены водой масла в подшипниках электропривода: наряду со значительными усложнениями конструкции электродвигателя возникает опасность попадания воды на обмотку его статора, что недопустимо. Замена масла водой только в насосе не дает полного эффекта. Способствовать решению вопроса может применение огнестойких масел [1].

В табл. 3.2 приведены основные параметры осевых подшипников некоторых отечественных ГЦН с уплотнением вала.

3 . 2 . УПЛ ОТН ЕНИ Е В АЛ А

3 . 2 . 1 . ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УПЛОТНЕНИЙ Уплотнение вала во многом определяет безопасность ГЦН, поскольку в случае отказа

уплотнения радиоактивные протечки через него могут быть весьма значительными.

С появлением мощных (несколько тысяч киловатт) ГЦН для АЭС возникла

3000 об/мин (линейные скорости 30—40 м/с). При этом ресурс уплотнения должен составлять не менее 20 000 ч. Создание надежных уплотнений с такими параметрами — технически сложная и ответственная задача. Трудности усугубляются тем, что современные уплотнения валов ГЦН представляют собой сложные динамические системы, в которых при определенных условиях могут возникать самовозбуждающиеся колебания, влияющие на нормальное функционирование уплотнения [23—25]. Имевшие место на ряде зарубежных АЭС аварии с разрушением отдельных элементов первого контура были следствием динамического возмущения именно этой системы [26—30]. Поэтому вопросы динамической устойчивости системы ротор насоса — уплотнение — подшипники не должны упускаться из виду при разработке ГЦН.

85

68