Результати експериментальних досліджень ущільнень ротора насоса ГЦН 20000-100
Для забезпечення високих вимог щодо надійності та довговічності, що ставляться до ущільнень ГЦН, доводиться проводити великий обсяг експериментальних досліджень, мета яких полягає у наступному:
зменшення зносу робочих ущільнювальних поверхонь у результаті відповідного підбору матеріалів пар тертя та використовування раціональних методів змащування;
виключення деформації робочих елементів ущільнення від дії сил тиску ущільнованого середовища та температури;
забезпечення статичної та динамічної стійкості ущільнювальних елементів;
розроблення ефективної системи охолоджування блоку ущільнення;
перевірка працездатності ущільнення при нестаціонарних і аварійних режимах;
перевірка справедливості використовуваних у процесі проектування методів розрахунку ущільнень.
Умови експлуатації вузла ущільнення ротора (рис. 11) у
ГЦН 20000-100 характеризуються широким діапазоном зміни тиску (1,5—16 МПа) та температури (20—300°С) ущільнюваної води. Швидкість ковзання на ущільнюваних поверхнях досягає 25 м/с. При певних режимах роботи ротор насоса одержує осьове переміщення до 2-3 мм. У аварійних ситуаціях можливе короткочасне припинення подачі запірної або охолоджуючої води. Необхідний ресурс - не менше 10 тис. год.
Для експериментальних досліджень та відпрацювання ущільнень до ГЦН 20000-100 у ВНДІАЕН створений ряд стендових установок. Одна з них показана на рисунку 15 [7]. До складу установки входять випробувальний прилад, допоміжне устаткування із забезпечення робочих параметрів, система управління, контролю та сигналізації.
Ротор приладу розміщений в кронштейні вертикально та в нижній частині забезпечений опорним та опорно-упорним гідродинамічними підшипниками ковзання з примусовою системою масляної змазки. Конструкція підшипників дозволяє імітувати під час випробувань осьове переміщення ротора. Блок ущільнення (рис. 11) натурних розмірів встановлений на консолі вала у верхній частині приладу. Для врівноваження осьової сили на роторі розміщена допоміжна ступень імпульсного гідростатичного ущільнення, яка розрахована для роботи при повному перепаді тиску. Приводом приладу служить асинхронний електродвигун (N=100 кВт, n=1500 об/хв), який передає крутний момент через пружну муфту.
Установка має замкнуті контури циркуляції води та масла з теплообмінниками для підтримки необхідної температури. Тиск перед ущільненням створюється двома (робочим та резервним) плунжерними насосами Тр 6,3/100. Зниження пульсацій тиску перед ущільненням досягається за допомогою поршневого гідроакумулятора, підживлення якого виконується компресором КВДМ. Воду від механічних домішок очищають двома сітчастими фільтрами з коморою розміром 40 мкм (один із них резервний). Тонше очищення виконується у гідроциклоні, через який забруднена вода повертається у бак, а чиста надходить у приймальну камеру приладу.
Робочі параметри ущільнення контролюються та вимірюються електроконтактними і зразковими манометрами ЕКМ (класи 1, 6) та МО (класи 0, 4), дифманометром ДМ у комплекті з приладом ВМД, термометрами опору ТСП-309 у комплекті з автоматичним мостом МСР-1-117, ротаметрами РЕ у комплекті з приладом ДСР-1-47. Зовнішні витоки через ущільнення вимірюють мірною посудиною, потужність, споживану приладом, - вимірювальним комплектом К-50 (класи 0, 5), час роботи - лічильником мотогодин. У вимірювальній схемі установки передбачений захист та блокування для автоматичного відключення приладу при порушенні нормальної роботи ущільнень або допоміжного устаткування.
Враховуючи новизну конструкції імпульсного ущільнення та складність динамічних процесів, що відбуваються у ньому під час роботи, спочатку проводили дослідження, які дозволили уточнити механізм роботи ущільнення та вибрати основні передумови для побудови методики розрахунку. Для цього розробили спрощену модель ущільнення (рис. 16), яка дозволила змінювати зазор між робочими поверхнями за рахунок зміни тиску р4 у допоміжній камері 1. Конструкція моделі подібна ущільненню, що показане на
рисунку 10. На нерухомому кільці 2 та кільці, що обертається 3, виконані замкнуті камери 6 та живильні канали 4. Для вимірювання тиску по ширині ущільнюючого паяска на кільці 2 розміщені дренажні отвори 5, сполучені трубками з вимірювальними приладами. Характер зміни тиску р2 у камерах досліджували за допомогою комплекту апаратури, що складається з первинного перетворювача тиску, вимірника високочастотних пульсацій, електронно-променевого або шлейфового осцилографів. Перед записом або фотографуванням з екрану осцилографа виконувалося тарування сигналу за величиною вимірюваного тиску. Про характер зміни зазору судили по витоках через ущільнення, а його величину оцінювали перерахунком за відомими формулами для витрат. При р4=рз ущільнення працювало в звичних умовах з мінімальним осьовим зазором. З підвищенням тиску р4 зазор збільшувався та при тиску досягав максимального значення.
Рисунок 16 - Модель імпульсного гідростатичного ущільнення
В якості пари тертя використовували силіційваний графіт, що має високу зносостійкість, що дозволило зберегти у ході випробувань практично незмінною геометрію робочої шпарини. Зношення робочих поверхонь оцінювали індикатором (ціна поділки 0,001 мм) та за характером інтерференційних смуг. Випробування проводили на воді з температурою 20-50°С при перепаді тиску до 16 МПа. Частота обертання вала становила 1500 об/хв, а швидкість ковзання у робочій шпарині - 25 м/с.
У результаті експериментальних досліджень декількох варіантів імпульсного гідростатичного ущільнення встановлено таке [3]:
режим перебігу рідини в шпарині ламінарний;
величина середнього тиску р2 у камері залежить від осьового зазору і має тим більше значення, чим менше зазор;
зміна тиску р2 в камері відбувається з основною частотою, що дорівнює добутку частоти обертання ротора на число живильних каналів. У момент поєднання живильного каналу з порожниною камери тиск підвищується приблизно до тиску р1 перед ущільненням, потім знижується до , причому найбільше зниження тиску спостерігається при великих зазорах, коли провідність торцевої шпарини велика;
збільшення зазору приводить до зменшення епюри тиску в шпарині, перед розкриттям ущільнення вона стає близькою до лінійної.
Одержані результати дозволили розробити інженерний метод розрахунку імпульсного гідростатичного ущільнення [3] та встановити зв’язок характеристик ущільнення з його геометричними параметрами.
Тривалі стендові випробування одного ступеня імпульсного гідростатичного ущільнення показали, що воно працює при малих зазорах (2-4 мкм) та має невеликі витоки, при цьому між ущільнювальними поверхнями режим тертя близький до рідинного. Цим можна пояснити той факт, що ущільнюючи паяски при випробуванні майже не зношувалися та зберігали площинність, близьку до первинної. Необхідно також відзначити, що в даному ущільненні значні зміни зазору відбуваються тільки при невеликих перепадах тиску (1-2 МПа), з підвищенням тиску зазор залишається приблизно постійним.
На підставі проведених експериментальних досліджень розроблений блок ущільнення (рис. 11) до ГЦН 20000-100, який пройшов ресурсні випробування на експериментальній установці
(рис. 15) протягом більше 2000 годин. За цей час було виконано до
50 пусків-зупинок приладу. Всього з урахуванням випробувань на інших установках ущільнення пропрацювало більше 5000 годин.
Ресурсні випробування проводили на воді температурою
40-60°С при тиску 1,5-16 МПа. Перепад тиску на плаваючих кільцях підтримувався у межах 0,1-0,5 МПа. Подвійна амплітуда коливань ротора в зоні ущільнення становила 360 мкм при кососиметричній формі коливань. Під час випробувань витратні потужності та температурні характеристики ущільнень були стабільними (рис. 17) [7]. При роторі, що не обертається, ущільнення зберігало повну герметичність у всьому діапазоні перепадів тиску.
Разом з ресурсними випробуваннями проведені спеціальні з відключенням подачі охолоджувальної та запірної води. Встановлено, що швидкість приросту температури та сама температура на ступенях ущільнення за відсутності подачі охолоджувальної води у теплообмінники в основному визначається витоками через ділильний пристрій. При організованих витоках 100 та 700 л/год, які відповідали перепадам тиску на блоці ущільнення 1,5 та 16 МПа, швидкість приросту температури становила відповідно 6° та 0,8° за хвилину.
При припиненні подачі запірної води лінія відведення організованих витоків перекривалася та третя (замикаюча) ступень ущільнення сприймала повний перепад тиску. Відведення фрикційного тепла відбувалося за рахунок циркуляції води через теплообмінники. Випробування при такому режимі підтвердили працездатність ущільнення.
Рисунок 17 - Характеристика блоку ущільнення ГЦН 20000-100:1 - приріст температури запірної води на основному ущільненні; 2 - споживана потужність; 3 - організовані витоки (q1); 4 - зовнішні витоки (q2)
Для перевірки можливості гідроопресування системи першого контуру АЕС, включаючи ГЦН, без демонтажу блоку ущільнення вала проведені випробування ступеня тиском 25 МПа. При цьому ущільнення забезпечувало повну герметичність та не мало залишкових деформацій.
До спеціальних випробувань належала і імітація переміщення ротора у осьовому напрямі до ±2 мм. Встановлено, що такі переміщення помітного впливу на характеристики ущільнення не здійснювали.
Ревізія блоку ущільнення показала, що основні його елементи не мали помітних пошкоджень та зберегли стан, близький до початкового. Лише на циліндрових поверхнях під плаваючими ущільнюваними кільцями в окремих місцях спостерігалися натирання без задирання та зношення. В цілому стан вузла ущільнення дозволив використовувати його у подальших випробуваннях без заміни яких-небудь деталей та додаткового доведення робочих поверхонь.
Враховуючи, що на експериментальних установках неможливо повністю імітувати динаміку роторної системи, розподіл температур та деформацій, що мають місце в насосі, остаточна перевірка блоку ущільнення, як правило, проводиться безпосередньо у ГЦН. Для цієї мети створений унікальний випробувальний стенд, який повністю відтворює умови роботи ГЦН 20000-100 та дозволяє здійснювати остаточну перевірку і доведення елементів насоса та його систем.
Випробувальний стенд ГЦН 20000-100 є енергоємною спорудою, до складу якої входить цілий ряд систем та устаткування: електрична підстанція, розподільний пристрій, циркуляційний контур з регульованою засувкою та витратомірним пристроєм, система матеріального та теплового балансу, система нормального та аварійного запирання ущільнення ротора насоса, система компенсації об’єму, мастилосистеми, системи забезпечення водою та повітрям і т.д. Управління роботою стенда та насосним агрегатом виконується з пульта, оснащеного системами контролю сигналізації та захисту.
Технічна характеристика
Робочий тиск, МПа 16
Робоча температура, 0С 300
Максимальна подача, м3/год 25000
Потужність електропривода, кВт 8000
Маса устаткування стенда, т 600
Вода у циркуляційному контурі розігрівається за рахунок роботи насосного агрегату. Швидкість розігрівання та розхолоджування регулюється системою теплового балансу. Для зменшення пульсації тиску в циркуляційному контурі передбачена система компенсації об’єму. Захист вузла ущільнення ротора насоса ГЦН 20000-100 від високої температури (300°С) забезпечується системою запирання буферною водою. До складу цієї системи входять два поршневі насоси, регулююча арматура, фільтри (сітчасті та гідроциклони), трубопроводи, контрольно-вимірювальні прилади. Під час роботи частина запірної води (приблизно 1 м3/год) надходить через внутрішнє ущільнення ротора у порожнину насоса та циркуляційний контур. Одночасно з цим така ж кількість води виводиться з контура за допомогою системи матеріального балансу. У разі припинення подачі запірної води в стенді передбачені аварійні ємності, заповнені холодною водою з певним тиском, за допомогою яких запобігається вихід гарячої води з порожнини насоса в зону вузла ущільнення.
Устаткування та системи стенда дають можливість проводити випробування насосного агрегату у всіх експлуатаційних режимах атомних електростанцій, включаючи і аварійні ситуації. Окрім відміченого, випробувальний стенд та його оснащеність контрольно-вимірювальною апаратурою дозволяють досліджувати пульсації тиску в контурі, розподілу температури та силових напруг у найвідповідальніших корпусних деталях насосного агрегату, динаміку роторної системи насоса і т.п.
досягав максимального значення.
, причому найбільше зниження тиску спостерігається при великих зазорах, коли провідність торцевої шпарини велика;