На сучасному етапі атомна енергетика розвивається головним чином за рахунок будівництва ядерних енергетичних блоків потужністю 1 млн кВт та з більш киплячим (РБМК) і водно-водяним під тиском (ВВЕР) реакторами. Створення таких потужних енергетичних блоків зажадало різке укрупнення устаткування, включаючи головні циркуляційні насоси (ГЦН). Ці насоси виконують відповідальну роль - прокачують теплоносій (воду) через активну зону реактора в умовах високого тиску, температур та наведеної радіоактивності і значною мірою визначають надійність та стійкість експлуатації реакторів. Найменші перебої та неполадки в їх роботі абсолютно недопустимі. Крім того, ГЦН істотно впливають на економічні показники атомних електростанцій (АЕС). Потужність, яку споживають циркуляційні насоси, становить від 1% до 4% електричної потужності блоку. Наприклад, для реакторів ВВЕР потужністю 1000 МВт електроприводи всіх циркуляційних насосів першого контуру споживають до 25000 кВт. Маса одного зібраного насосного агрегату досягає 100 т. Вартість комплекту циркуляційних насосів для реакторів великої потужності порівнянна з вартістю власне реактора (без паливного завантаження) [8].
Параметри розроблюваних та тих, що знаходяться в експлуатації ГЦН для киплячих та водно-водяних реакторів під тиском, характеризуються значеннями, що наведені нижче [11]:
До недавнього часу в якості ГЦН використовувалися безсальникові герметичні насоси. Їх конструкція дозволяла забезпечити повну відсутність витоків — одна з основних вимог, що ставляться до ядерних установок. Проте створення герметичних насосів на великі подачі, що вимагаються для сучасних реакторів, та потужності технічно поки нерозв’язне, тому виникла необхідність переходу на циркуляційні насоси з ущільненням вала. Ці насоси у порівнянні з герметичними насосами мають такі переваги [8, 21]:
- знімний електричний або паротурбінний привід, який можна легко замінювати при несправностях та ремонтувати у звичних умовах;
- можливість за необхідності збільшувати за рахунок маховика інерційний вибіг ротора насоса для забезпечення циркуляції теплоносія в контурі в перші десятки секунд після несподіваного аварійного знеструмлення;
- насоси з ущільненням вала дешевші (на 50—60%) та мають вищий ККД (на 15—20%), що важливо для насосів з великою подачею;
- ремонтопридатний в умовах експлуатації.
Головні циркуляційні насоси з ущільненням вала (рис. 1), як правило, виконані з вертикальним розміщенням вала, на консолі якого у нижній частині встановлюється робоче колесо 1. У корпусі 3 розміщений направляючий апарат 2. З корпусом сполучені виймальна частина 4, де розміщені тепловий бар’єр 6, гідродинамічний або гідростатичний опорний підшипник 5, змащений водою, вузол механічного ущільнення 7, проставка 8 на роторі насоса, яка дозволяє замінювати ущільнення без розбирання верхньої частини насосного агрегату. До виймальної частини корпусу високого тиску кріпиться циліндрова рама 9, що служить опорою для опорно-упорного підшипника 10 та електродвигуна.
Рисунок 1 - Компонування головного циркуляційного насоса з ущільненням вала
Опорний підшипник 5 встановлюють, як правило, у безпосередній близькості від робочого колеса. Він призначений для сприйняття радіального зусилля, що діє на ротор насоса, через нерівномірність тиску в камері відведення. Тепловий бар’єр 6 служить для обмеження теплового потоку в зону вузла ущільнення вала.
Найважливішим елементом у розглянутій конструкції ГЦН є вузол ущільнення вала. Від нього залежать надійність та довговічність роботи насоса і, як наслідок, експлуатаційна готовність всього блоку. Ущільнення повинні забезпечувати необхідну герметичність при роботі насоса на різних експлуатаційних та аварійних режимах. Витоки радіоактивної води першого контуру через ущільнення назовні не повинне перевищувати декількох кубічних сантиметрів за годину, а організовані витоки запірної (очищеної) води — 0,5—1 м3/год. Витрата запірної води всередину насоса також повинна бути невеликою. Ущільнення вала повинне зберігати свою працездатність після короткочасного знеструмлення системи електроживлення насосів, внаслідок чого може припинятися подача замикаючої та охолоджуючої води. За надійністю система ущільнення не повинна поступатися іншим вузлам насоса та працювати протягом декількох років без заміни. Конструкція ущільнення повинна бути блоковою та забезпечувати тим самим швидку зміну ущільнення в насосі без демонтажу всієї установки.
Створення для ГЦН великої потужності ущільнень вала, розрахованих на високі перепади тиску (17,5 МПа), температури (310°С) та окружні швидкості (25 м/с), що відповідають переліченим вище вимогам, становить складну технічну задачу. Незважаючи на те, що у промисловій експлуатації за останнє десятиліття з’явилося багато конструкцій ГЦН з ущільненням вала, за якими накопичений певний досвід, питання створення ущільнювальних систем, що мають високу надійність, герметичність та великий ресурс роботи, залишається до кінця невирішеним та служить предметом дослідження багатьох провідних насособудівельних фірм.
