Циркулярні насоси (стр. 3 из 7)

Рисунок 5 - Комбіноване ущільнення вала ГЦН з киплячим реактором АЕС «Крюммель» (Німеччина)

Постійне удосконалення конструкцій термогідродинамічних ущільнень дозволило останнім часом у деяких циркуляційних насосах використовувати комбіновані вузли ущільнень, в яких остання та передостання ступені термогідродинамічні. Такий вузол ущільнення застосований в ГЦН фірми КСБ для реактора ВВЕР потужністю 1300 МВт АЕС Унтервгзер (Німеччина) [4].

При високих перепадах тиску та швидкостях обертання, коли потрібен великий ресурс та допускаються незначні витоки, все ширше застосовуються ущільнення з безперервною рідинною плівкою. До них належать гідростатичні ущільнення, що складаються з тихжесамих елементів, що і звичайні торцеві. Для створення гарантованого зазору між ущільнювальними поверхнями (рис. 6 а) на одній з них виконуються замкнуті камери 2, які з’єднуються через дроселі 3 з ущільнювальною порожниною 1. Величина осьового зазору залежить від розмірів дроселів, камер, а також від зусилля пружин. Дроселі тут виконують роль регулюючого органу на байпасі та забезпечують саморегулювання осьового зазору. При зменшенні зазору епюра тиску в щілині зростає, а при збільшенні - знижується. Для обмеження витоків через ущільнення та забезпечення саморегулювання осьового зазору між поверхнями ущільнювачів дроселі повинні мати великий гідравлічний опір і тому виконуються з вельми малим поперечним перерізом (капілярним). Істотний недолік капілярів полягає в схильності їх до засмічення та ерозійного зносу. У обох випадках нормальна робота ущільнення порушується. Крім того, дроселі повинні ретельно таруватися та мати однакову витратну характеристику.

Фірма «Помп Гінар» (Франція) для циркуляційних насосів запропонувала гідростатичне ущільнення, подібне до розглянутого, в якому дроселями служать капілярні канавки, виконані безпосередньо на робочій поверхні та сполучені з ущільнювальною порожниною [15]. Таке ущільнення дозволяє дещо збільшити поперечний перетин дроселів за рахунок їх подовження, а також створити сприятливі умови для очищення дроселів від механічних частинок завдяки відносному обертанню поверхонь ущільнювачів. Оскільки ці поверхні, як правило, виконуються з дуже твердих та зносостійких матеріалів, в даному ущільненні ускладнюється процес виготовлення живильних капілярних каналів, які до того ж повинні мати однакову витратну характеристику.

Рисунок 6 - Гідростатичне ущільнення:

а — з фіксованим зазором; б — з регульованим зазором;

в-з контрольованими витоками

На рисунку 6 бпоказана конструкція гідростатичного ущільнення з саморегульованим осьовим зазором [21], у якій для розділення робочих поверхонь використовується гідростатичний тиск від стороннього джерела 1. Вода під високим тиском подається через капіляри 3 у порожнини камер 4, виконані на нерухомому кільці 2. Величина осьового зазору залежить від витрати води через капіляри. Ущільнення дозволяє розділити робочі поверхні ще до початку обертання вала, а також за необхідності регулювати подачу води в порожнину ущільнення, змінюючи тим самим осьовий зазор між робочими поверхнями. До недоліків такого ущільнення належить можливість пошкодження зовнішньої системи підтримки тиску, чутливість до ступеня забруднення рідини, до теплових перехідних процесів і до зміни характеристики дроселя у результаті засмічення або ерозії.

Становить інтерес гідростатичне ущільнення з проміжним відбором тиску (рис. 6 в) [8]фірми «Хайворд Тайлер» (Великобританія). Основні елементи ущільнення: кільце 2, яке обертається разом з валом 1, та аксіальний рухомий елемент (поршень) 3, встановлений в корпусі 5. На робочій торцевій поверхні поршня виконана кільцева канавка, пов’язана каналами з проміжною камерою. Під дією пружини 4 забезпечується первинний контакт між кільцем 2 і поршнем 3. Принцип роботи ущільнення базується на тому, що контрольований осьовий зазор між поверхнями ущільнювачів автоматично підтримується за допомогою зовнішнього дроселя 6. Якщо зазор збільшується, то в камері за поршнем підвищується тиск, що приводить до збільшення притискуючої гідравлічної сили. При зменшенні осьового зазору тиск за поршнем знижується, внаслідок чого ущільнення відкривається. Залежно від параметрів елементів ущільнення та дроселя поршень встановлюється у рівноважному положенні при певному осьовому зазорі. Оскільки в даній конструкції дросель розміщений поза ущільненням, то його можна спроектувати так, щоб уникнути засмічення та ерозії (наприклад, застосовуючи трубки певної довжини та перерізу).

Розглянута конструкція з промвідбіром використовувалася в блоці ущільнення (рис. 7), розробленому фірмою «Хайворд Тайлер» для головних циркуляційних насосів фінської АЕС «Ловіза». Робочий тиск та температура води у першому контурі становить відповідно 12,5 МПа та 270 °С. На прикладі цього насоса розглянемо роботу блоку ущільнення та його допоміжних систем [8].

Ущільнення працює на запірній воді, яка береться з першого контуру, охолоджується до 40 °С та очищається, проходячи через холодильник та іонообмінний фільтр. Автоматичні регулятори підтримують задане (0,5-0,06МПа) перевищення тиску запірної води над тиском у порожнині насоса, внаслідок чого близько 50% води, що підводиться (0,3-0,5 м³/год), надходить в насос, виключаючи вихід з нього гарячого радіоактивного теплоносія.

Блок ущільнення разом з підшипником ковзання 1, що працює на воді, відділяється від корпусу насоса спеціальним тепловим бар’єром — горловиною, охолоджуваною водою. Імпелер 2 прокачує запірну воду через камеру підшипника та холодильник 16, щоб виключити випадки місцевого закипання. Ту ж функцію виконують імпелери 4 та 6, щорозташовані за першим 3 та другим 5 ступенем гідростатичного ущільнення. Перед замикаючим торцевим ущільненням 7 переливним клапаном 10 підтримується тиск 0,42-0,45 МПа. Зовнішні витоки через ущільнення 7 становить близько 300 см³/год, організовані витоки — 0,3 м³/год. Витоки через гідростатичні ущільнення 3 та5, а отже, і торцевий зазор зберігаються постійними шляхом зміни провідності зовнішніх дроселів 13 та 12 регулюючими клапанами 15 та 14.

На випадок пошкодження або у аварійних ситуаціях передбачені заходи, що дозволяють нормально вимкнути з дії реакторну установку. Якщо припиняється подача запірної води або збільшуються її витоки через пошкоджене ущільнення, підвищується температура в камері підшипника, та при досягненні 65⁰С магнітний клапан 15 починає закриватися, зменшуючи торцевий зазор в ущільненні 3. При подальшому збільшенні температури до 70 °С ущільнення 3 повністю закривається та працює як контактне торцеве ущільнення з мінімальним витоками. Запірна вода, що підводиться з автоматично включеної резервної системи, протікає в насос та знижує температуру в камері підшипника. Якщо необхідний ефект не досягається, то при підвищенні температури до 80 °С закривається друга ступінь
ущільнення 5.

У разі відмови обох ступеней ущільнення 3 та 5 тиск перед замикаючим торцевим ущільненням 7 і клапаном 10 стає більше допустимого та приводить до закриття клапана 1 і відкриття клапана 9, через який підноситься стисле повітря в камеру лабіринтового шпаринного ущільнення 8. При цьому ущільнення 7 повинне короткочасно до зупинки насоса сприймати повний перепад тиску. Якщо і воно вийде з ладу, роль ущільнення виконує лабіринтова втулка 8 з підведеним до неї під тиском 0,7 МПа стислим повітрям. Всі перелічені заходи повинні запобігти виходу назовні радіоактивної води протягом 3-10 хв, що вимагаються для нормальної зупинки агрегату.

Рисунок 7 - Блок механічного ущільнення фірми «Хайворд Тайлер» для ГЦН АЕС «Ловіза» (Фінляндія)

Недоліком розглянутої конструкції є те, що у ступенях гідростатичного ущільнення аксіальні рухомі поршні центруються по двох гумових ущільнювальних кільцях та не можуть достатньою мірою компенсувати перекоси контактних поверхонь, а у торцевій щілині відсутні умови для виникнення відновного моменту. Крім того, в схемі міститься багато регулюючих автоматичних пристроїв, які знижують надійність роботи блоку ущільнення, що виявилося в ході пуско-налагоджувальних робіт на АЕС «Ловіза-1». У результаті в ГЦН були встановлені простіші ущільнення фірми «Чемплейн» (Канада), подібні до ущільненням, які показані на рисунку 4. У них ступені гідростатичного ущільнень мають на робочій поверхні замкнуті камери, що поєднуються через дроселі з ущільнюваною порожниною.

Останнім часом з'явилися конструкції ГЦН для реакторів РБМК та ВВЕР, у яких повний перепад тиску спрацьовує на одній ступені гідростатичного ущільнення, а зовнішня герметичність забезпечується механічним ущільненням торцевого типу [20]. При цьому спрощуються системи подачі запірної води та охолоджування і підвищується надійність насосних агрегатів.

Фірмою «Вортінгтон» (Великобританія) розроблене гідростатичне ущільнення (рис. 8) з постійними за величиною витоками. Ущільнення складається з диска 1, розташованого на валу 12, та аксіальна рухома втулка 11, яка встановлена в корпусній проставці 4. На торцевої поверхні диска виконано гладкий ущільнювальний поясок 10 та опорні подушки 9. З боку камери 7 низького тиску на втулці 11 закріплений поршень 5. На лінії відведення організованих витоків розміщений дросель 6. Камера, утворена між поршнем 5 та корпусною проставкою 4, з'єднується з атмосферою каналом 3. Зовнішні витоки по валу обмежуються допоміжним ступенем торцевого ущільнення 8. Принцип роботи ущільнення базується на тому, що при обертанні між диском та аксіально рухомою втулкою утворюється осьовий зазор, по якому організовані витоки надходять з порожнини 2 високого тиску в камеру 7. За рахунок опору дроселя 6 у камері 7 встановлюється певний тиск, який діє на поршень 5 та втулку 11, прагне зменшити осьовий зазор у робочій щілині, а отже, і витоки. Із зменшенням витоків тиск у камері 7 трохи знижується, та відбувається зворотний процес. Шляхом вибору відповідних геометричних розмірів основних елементів ущільнення можна забезпечити постійні за величиною витоки, які автоматично підтримуватимуться гідравлічною силою, що діє з боку низького тиску [21].