Примеры конструкций

Рассмотрим насос ЦН 60-180 (рис. 2.6, 2.7), используемый в первом контуре водо-водяных реакторов для борного регулирования, подачи запирающей воды на уплотнения ГЦН, а также для впрыска необходимых добавок, снижающих коррозионную активность теплоносителя.

Энергоблок ВВЭР-1000 комплектуется тремя такими насосами, из которых один работает, а два находятся в резерве. Температура перекачиваемой воды, содержащей до 30 г/кг борной кислоты, до 30 мг/л аммиака и некоторые другие химические соединения, не превышает 70 °С. Давление уплотняемой жидкости 0,6—1,0 МПа, частота вращения ротора 8900 об/мин, диаметр вала под уплотнением 0,07 м, средняя окружная скорость контактной поверхности торцового уплотнения 50 м/с.

Из-за большой окружной скорости насосы первоначально имели щелевые уплотнения, протечки через которые в трех насосах составляли около 25 м³/ч. Подготовка утечек к повторному использованию требовала больших затрат, поэтому была разработана конструкция импульсного торцового уплотнения (рис. 6.8), которая после детальных стендовых испытаний L6] была рекомендована для насосов ЦН 60-180.

Рис. 6.8. Импульсное уплотнение высокооборотного подпиточного насоса ЦН 60-180

Выбор основных геометрических размеров уплотнения производился по изложенной выше методике; в качестве оптимального торцового зазора принято значение 2 мкм, при котором обеспечивается устойчивая граничная смазка с низким коэффициентом трения, благодаря чему уплотнения не требуют внешних систем охлаждения. Теплоотвод от пары трения осуществляется перекачиваемой водой, циркуляция которой через камеру уплотнения обеспечивается осевым импеллером 1. В застойных зонах поверхности с течением времени покрываются кристаллами бора, поэтому требуется периодическая промывка этих поверхностей. Для уменьшения расхода конденсата на промывку полость за аксиально подвижным кольцом 2 уплотняется замыкающим щелевым уплотнением 3, которое одновременно выполняет роль аварийного при отказе основного торцового уплотнения.

Пара трения изготовлена из силицированного графита СГ-П, замыкающее уплотнительное кольцо — из обожженного углеграфита 2П-1000, вторичные уплотнения — из этилен-пропиленовой резины 51-1481-2, пружины — из стали 12Х18Н9Т, другие детали — из стали 20X13.

К началу 1984 г. суммарная наработка уплотнений на трех насосах составила 25 тыс. ч; при этом средняя протечка на работающих насосах равна 0,8 л/ч, а на резервных обеспечивается полная герметичность, т. е, уплотнения успешно выполняют функции стояночных.

Узел уплотнения (рис. 6.9) ротора главного циркуляционного насоса ГЦН 20000-100 состоит из трех последовательных ступеней импульсных торцовых уплотнений и внутреннего уплотнения, в качестве которого использован комплект трех плавающих колец [8]. Давление запирающей воды 1,5—16 МПа, температура 40—50 °С, частота вращения ротора 1500 об/ мин, диаметр вала под втулкой уплотнения. 0,185, м, внутренний и наружный диаметры контактных торцовых поверхностей 0,22 и 0,294 м соответственно, средняя окружная скорость контактных поверхностей уплотнения 20 м/с.

Рис. 6.9., Уплотнительный узел ротора ГЦН с тремя ступенями импульсных торцовых уплотнений

Запирающая вода при температуре 40—50 °С и давлении, на 0,1— —0,5 МПа превышающем давление внутри насоса, подается от внешнего источника через гидроциклон 7 в приемную камеру между внутренним и внешним уплотнениями. При прекращении подачи запирающей воды во избежание повышения температуры в зоне уплотнения предусмотрена байпасная линия, по которой из полости нагнетания насоса через клапан 5 кратковременно может поступать охлажденная с помощью вспомогательного теплообменника 6 вода первого контура. В качестве внутреннего уплотнения, ограничивающего утечку запирающей воды в насос, используются плавающие кольца 4 с небольшим радиальным зазором по валу. Внешнее уплотнение состоит из трех одинаковых и последовательно расположенных ступеней импульсного торцового гидростатического уплотнения 5 с саморегулируемым зазором.

В каждой ступени уплотнения аксиально подвижное кольцо вместе с пружинами устанавливается в корпусе. Уплотнительные кольца пары трения выполнены из силицированного графита и свободно закреплены в охватывающих их металлических обоймах. На вращающемся кольце расположены питающие каналы, а на противоположном — замкнутые камеры. Такое конструктивное решение позволяет свести к минимуму влияние перекосов вала относительно корпуса и при вращении предотвратить попадание случайных механических частиц в рабочий зазор.

С целью повышения надежности работы каждой из ступеней 98 % общего перепада давления распределяется поровну между первыми двумя ступенями с помощью встроенного делительного устройства 2. Третья ступень работает при небольшом перепаде давления и служит для ограничения внешней протечки. Для отвода тепла и поддержания температуры воды в пределах 40—50° С во второй и третьей ступенях предусмотрены контуры охлаждения, состоящие из вынесенных теплообменников 8, через которые  осуществляется циркуляция уплотняемой воды винтовыми насосами 1.

Расход воды через делительное устройство и вторую ступень уплотнения представляет собой организованную протечку, которая отводится в сливную емкость и затем после соответствующей подготовки вновь возвращается в систему. Внешняя протечка собирается в специальной камере, из которой поступает в дренажную систему.

Каждая из ступеней уплотнения рассчитана на полный перепад давления и на давление гидроопрессовки насоса. Поэтому при выходе из строя одной из первых двух ступеней узел уплотнения в целом может допустить кратковременную работу насоса при некотором увеличении организованной протечки, что позволяет произвести нормальную остановку насоса. Если протечка превысит допустимое значение, линия слива перекрывается электрической задвижкой и полный перепад давления воспринимает последняя ступень уплотнения.

Поскольку при нормальных условиях работы на последней ступени устанавливается небольшой перепад (около 0,5 МПа) давления, то выход ее из строя маловероятен. Если даже и произойдет раскрытие этой ступени, то максимальная внешняя протечка не будет превышать организованную протечку и не приведет к тяжелым последствиям. Поступление воды из емкости для сбора организованной протечки к последней ступени в данном случае автоматически блокируется с помощью обратного клапана.

Работа узла уплотнения контролируется измерительными приборами, позволяющими дистанционно следить за расходом запирающей воды, за организованной и внешней протечкой, за давлением и температурой перед ступенями уплотнения, за перепадом давления на внутреннем уплотнении. При отклонении указанных параметров от допустимых предусматривается сигнализация или отключение насоса.

Узел уплотнения прошел ресурсные испытания в течение более 2000 ч. За это время было произведено до 50 пусков-остановок. Ресурсные испытания проводились на воде при температуре 40—60° С и давлении 1,5— —16 МПа. Перепад давления на плавающих кольцах поддерживался в пределах 0,1—0,5 МПа. Двойная амплитуда колебаний ротора в зоне уплотнения составляла 360 мкм. Во время испытаний температурные (1), мощностные (2) и расходные (3 и 4), характеристики уплотнений были стабильны (рис. 6.10). При невращающемся роторе уплотнение сохраняло полную герметичность во всем диапазоне перепадов давления [8].

Рис. 6.10. Экспериментальные характеристики узла уплотнений ГЦН

Наряду с ресурсными проведены специальные испытания с отключением подачи охлаждающей и запирающей воды. Установлено, что скорость приращения температуры и сама температура на ступенях уплотнения при отсутствии подачи охлаждающей воды в теплообменники в основном определяется протечкой через делительное устройство. При организованных протечках 100 и 700 л/ч, которые соответствовали перепадам давления на узле уплотнения 1,5 и 16 МПа, скорость приращения температуры составляла соответственно 6 и 0,8° С/мин.

При прекращении подачи запирающей воды линия отвода организованной протечки перекрывалась и третья (замыкающая) ступень уплотнения воспринимала полный перепад давления. Отвод тепла осуществлялся за счет циркуляции воды через теплообменники. Испытания в таком режиме подтвердили работоспособность уплотнения.

Для проверки возможности гидроопрессовки системы первого контура АЭС, включая ГЦН, без демонтажа узла уплотнения вала были проведены испытания ступени при давлении 25 МПа. При этом уплотнение обеспечивало полную герметичность и не имело остаточных деформаций.

К специальным испытаниям относилась и имитация перемещения ротора в осевом направлении до ±2 мм. Установлено, что такие перемещения заметного влияния на характеристики уплотнения не оказывали.

Ревизия узла уплотнения показала, что его элементы не имели заметных повреждений и сохранили состояние, близкое к исходному. Лишь на цилиндрических поверхностях под плавающими уплотнительными кольцами в отдельных местах наблюдались натиры без задиров и износа. В целом состояние узла уплотнения позволило использовать его в дальнейших испытаниях без замены каких-либо деталей и без дополнительной доводки рабочих поверхностей.

Унифицированный узел импульсного торцового уплотнения для высокооборотных насосов показан на рис. 6.11. Уплотнение прошло экспериментальную и промышленную проверку и рекомендовано для турбопитательных насосов ПТА 3800-70, для модернизации насосов продувки-подпитки ЦН 60-180 и для других высокооборотных насосов АЭС и ТЭС.

Рис. 6.11. Унифицированный узел импульсного торцового уплотнения высокооборотных насосов

Накопленный опыт свидетельствует о том, что импульсные торцовые уплотнения удовлетворяют жестким требованиям по надежности, долговечности и герметичности, предъявляемым к уплотнениям роторов насосного оборудования АЭС.