Насосы атомной станции с реактором РБМК

Лопаточные насосы

 К лопаточным насосам относятся центробежные, диагональные и осевые, отличающиеся друг от друга по направлению потока жидкости на выходе из рабочего колеса.

Лопастные насосы также подразделяются по потоку жидкости за рабочим колесом (с полуспиральным, спиральным или кольцевым отводом, коленчатым отводом), по числу потоков внутри рабочего колеса (одностороннего и двухстороннего входа) и по числу ступеней рабочих колес в насосе - одноступенчатый, многоступенчатый.

Работа этих насосов основана на общем принципе - силовом взаимодействии лопастей рабочего колеса с обтекающим их потоком перекачиваемой жидкости.

Центробежный насос

Основным рабочим органом центробежного насоса (рис 6) является свободно вращающееся внутри корпуса колесо 1, насаженное на вал 2. Рабочее колесо состоит из двух дисков (переднего 3 и заднего 4), отстоящих на некотором расстоянии друг от друга. Между дисками, соединяя их в единую конструкцию, находятся лопасти 5, плавно изогнутые в сторону, противоположную направлению вращения колеса. Внутренние поверхности дисков и поверхности лопастей образуют так называемые межлопастные каналы колеса, которые при работе насоса заполнены перекачиваемой жидкостью.

Ротор - вал с насиженными на него вращающимися деталями - вращается в подшипниках 6. Между вращающимися и неподвижными деталями могут быть установлены уплотнения 7 для снижения утечек из насоса и уплотнения 8 для уменьшения циркуляции внутри насоса. При вращении колеса на каждую часть жидкости (массой m), находящейся в межлпастном канале на расстоянии r от оси вала и движущуюся со скоростью v , будет действовать центробежная сила:

Центробежный насос
Рисунок 6. Схема центробежного насоса: 1 - колесо, 2 - вал, 3 - передний диск, 4 - задний диск, 5 - лопасти, 6 - подшипники, 7 и 8 - уплотнения, 9 - подвод, 10 - спиральный отвод, 11 - напорный патрубок.

Под действием этой силы жидкость выбрасывается из рабочего колеса, в результате чего в центре колеса создается разряжение, а в периферийной его части - повышенное давление. Для обеспечения непрерывного движения жидкости через насос необходимо обеспечить подвод перекачиваемой жидкости к рабочему колесу и отвод от него. Жидкость поступает через отверстие в переднем диске рабочего колеса по всасывающему трубопроводу (подводу 9). Движение жидкости по всасывающему трубопроводу происходит вследствие разности давлений над свободной поверхностью жидкости в приемном бассейне (атмосферное) и в центральной области колеса (разряжение).

Для отвода жидкости в корпусе насоса имеется расширяющаяся спиральная камера (в форме улитки, куда поступает жидкость, выбрасываемая из рабочего колеса. Спиральная камера (отвод 10) переходит в короткий диффузор, образующий напорный патрубок 11, соединяемый обычно с напорным трубопроводом.

Осевой насос

Осевой насос
Рисунок 7. Схема осевого насоса: 1 - втулка, 2 - лопасти, 3 - трубчатая камера, 4 - подводы, 5 - отводы.

Рабочее колесо осевого насоса (рис 7) состоит из втулки 1, на которой укреплено несколько лопастей 2, представляющих собой удобообтекаемое изогнутое крыло с закругленной передней, набегающей на поток кромкой.

Рабочее колесо насоса вращается в трубчатой камере 3, заполненной перекачиваемой жидкостью. При динамическом воздействии лопасти на жидкость за счет изменения скорости течения давление перед лопастью повышается, а за ней - понижается. Благодаря образующейся при этом силе основная масса жидкости в пределах колеса движется в осевом направлении, что и определило название насоса. Перед колесом устанавливаются неподвижные проточные элементы 4 (подводы), за колесом - отводы 5;

Осевые насосы выпускаются с жестко закрепленными на втулке лопастями рабочего колеса и с поворотными лопастями. По сравнению с центробежными осевые насосы имеют значительно большую подачу, но меньший напор. КПД осевых насосов достигает 0,9 и выше.

Диагональные насосы. 

Поток жидкости, проходящий через рабочее колесо диагонального насоса, направлен не радиально, как у центробежных насосов, и не параллельно оси, как у осевых, а наклонно, как бы по диагонали прямоугольника, составленного радиальным и осевым направлениями.

По своим рабочим параметрам (подача, напор) диагональные насосы занимают промежуточное положение между центробежными и осевыми.

Явление кавитации.

Кавитация в насосах объясняется нарушением сплошности жидкости в тех местах, где давление снижается до давления насыщенного пара при данной температуре, при этом происходит быстрое вскипание жидкости с образованием пузырьков пара, которые после перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии быстро сокращаются.

Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается гидравлическим ударом и звуковым импульсом. Если кавитационные пузырьки замыкаются вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению поверхности этого тела (элементов проточной части насос). В местах разрушения пузырьков значения давления могут достигать 10000 кгс/см2 и сопровождаться сильным шумом со сплошным спектром от нескольких через до тысяч килогерц.

Качественное изменение структуры потока, вызванное кавитацией, приводит к изменениям режима работы гидравлической машины. Эти изменения принято называть последствиями кавитации.

Элементы проточной части гидравлических машин представляют собой сочетание направляющих поверхностей, предназначенных для управления потоком. Если кавитационная зона возникает на такой поверхности, то она изменяет ее эффективную форму и, следовательно, изменяет путь потока. Такие изменения нежелательны и сопровождаются дополнительными потерями энергии. Снижение энергетических параметров (подача, напор) и уменьшение коэффициента полезного действия являются прямым следствием возникновения кавитации в любой гидравлической машине.

Борьба с кавитацией в насосах и других гидравлических машинах имеет большое значение, так как кавитация приводит к быстрому разрушению элементов проточной части и снижению их надежности.

Кавитационному разрушению подвержены все конструкционные материалы, но в разной степени. Наиболее кавитационно-стойким материалом является аустенитная сталь благодаря равномерности ее структуры. Кроме разрушения материала, кавитация приводит к существенному снижению КПД, повышению вибрации, ударным нагрузкам на элементы проточной части и, в конечном итоге, к срыву характеристик Н, N и КПД.

Основным средством предупреждения кавитации, обеспечивающим надежную работу насоса, является поддержание достаточного избыточного давления на входе в насос над давлением парообразования, то есть соблюдение такой высоты всасывания насоса, при которой кавитация не возникает. Превышение напора на входе в насос над напором, равным давлению насыщенного пара перекачиваемой жидкости, называется кавитационным запасом dh. Бескавитационный режим работы насосов обеспечивается при с облюдении условия dh>dhдоп, где допускаемый кавитационный запас dhдоп = k x dhкр; коэффициет запаса k=1,1 - 1,5 устанавливается в зависимости от условий работы и типа насоса; dhкр - кавитационный запас, соответствующий началу снижения параметров (первому критическому режиму кавитации) при кавитационном испытании насоса. Допускаемый кавитационный запас dhдоп приводится в характеристике насоса, получаемой при кавитационном испытании.

Специальные насосы АЭС

Насосы, используемые в ядерной энергетике, можно приблизительно разделить на следующие девять групп: 

  1. главные циркуляционные насосы, предназначенные для создания циркуляции теплоносителя с вспомогательными насосами к ним; 
  2. питательные насосы - для подачи питательной воды в парогенераторы или барабаны-сепараторы; 
  3. конденсатные насосы - для подачи конденсата в деаэраторы из конденсаторов турбин и подогревателей низкого и высокого давления; 
  4. насосы циркуляционного водоснабжения для охлаждения конденсатор турбин; 
  5. насосы технического водоснабжения главного корпуса; 
  6. насосы систем безопасности; 
  7. насосы масло снабжения систем турбоагрегатов; 
  8. насосы спецводоочистки и химводоочистки; 
  9. насосы вспомогательных систем.
Канал СУЗ, КД, ДКЭВ - РБМ-К5.сб.14./Л.35-39/. Каналы (рис. 27а,б) предназначены для установки исполнительных механизмов СУЗ, гильз с подвесками КД, оборудования измерительных каналов с ДКЭВ и организации потока воды для их охлаждения. Канал в сборе (сб.14) состоит из собственно канала (сб.14-1), головки (сб.33) и дросселя в сборе (сб.14-4). Корпус канала (сб.14-2) изготавливается в виде сварной трубной конструкции, состоящей из трех частей: - верхней (сб.34) с усиковой разделкой кромки стакана (34-1) под сварку с трактом (сб.21); - средней (сб.35), представляющей собой циркониевую трубу (35-1) с переходниками "сталь-цирконий" (сб.31-1 и сб.31-2) - см. п.п. 3.4.1.; - нижней (сб.36) с технологическим колпаком (36-6), который срезается перед приваркой трубопровода нижней коммуникации СУЗ (PБМ-K15.сб.79-2); в нижней части имеется посадочное место для установки дросселя в сборе. Зазор между стенками ячейки кладки и средней частью канала на длине 8100 мм обеспечивают графитовые втулки и кольца пяти типоразмеров (см. табл. 3.3.). Таблица 3.3. Обозначение детали Наименование детали Длина, мм, Диаметр внешний, мм Диаметр внутренний, мм 14-5 Втулка 250 111 91,5 14-6 Втулка 50 111 91,5 14-7 Втулка 50 105 91,5 14-8 Втулка 280 111 91,5 12-4 Кольцо наружное разрезное 20 114,3 91,0 Материал: Графит марки ВПГ Столб графитовых втулок и колец опирается на стальную втулку (сб.14-3). Зазор в 20 мм между набором втулок и переходом к верхней части канала обеспечивается подбором положения упора (14-10), фиксируемого на канале винтом. Головка канала (сб.33) предназначена для установки и крепления сервопривода регулирующего стержня СУЗ, крепления измерительного канала ДКЭВ и подвески КД, а также выполняет роль биологической защиты. Головка изготавливается в виде блока из четырех стальных плит, разделенных между собой слоями серпентинитового бетона, и боковых стальных листов. В верхнюю плиту (сб.33-2) вмонтирован воздушник для выпуска (впуска) воздуха при заполнении (опорожнении) канала. На плите (сб.33-2) имеются два отверстия М16 для крепления фланцев сервопривода, измерительного канала ДКЭВ, гильзы КД (сб.40). Подача воды в канал осуществляется по трубопроводу коммуникации РБМ-К15.сб.70-4 в боковую трубу (сб.33-3) головки, далее в полость верхней плиты и через центральную трубу (сб.33-1) в канал. Масса головки - 190 кг. Дроссель в сборе (сб.14-4) обеспечивает гидросопротивление, требуемое для заполнения водой всего канала. Собственно дроссель (14-21) представляет собой сплошной цилиндр с винтовой поверхностью выполненной левой и правой нарезкой. Винтовые канавки прямоугольного сечения. Дроссель в корпусе (14-20) устанавливается в нижней части канала. Общая длина канала - 22088 мм. Масса канала - 427 кг. Материал для основных элементов канала - аустенитовые коррозионно-стойкие стали марок ОХ18Н10Т, 08Х18Н10Т и циркониевый сплав марки Э125. Опять-таки в связи с большим тепловыделением приходится оборудовать даже не два, а три контура (объем теплоносителя на каждом последующем, естественно, больше), причем во втором контуре используется опять-таки натрий. При работе такого реактора происходит очень интенсивное выделение нейтронов, которые поглощаются слоем урана-238, расположенного вокруг активной зоны. При этом этот уран превращается в плутоний-239, который, в свою очередь, может использоваться в реакторе как делящийся элемент. Плутоний используется также в военных целях.
Атомные станции с реакторами РБМК 1000