 |
Разработка технических решений по обеспечению надежной роботы гцн-195м
|
|
|
|
Модернизация главных циркуляционных насосных агрегатов для повышения безопасности работы энергоблоков АЭС
В настоящее время на АЭС с ВВЭР-1000 находится в эксплуатации 20 блоков, на которых длительно эксплуатируются более 80 насосов типа ГЦН-195М.
Суммарная наработка ГЦН-195М составляет 1000 реакторо-лет.
Максимальная наработка агрегата ГЦН-195М – 130000 часов.
Анализ накопленного опыта эксплуатации ГЦН с уплотнением вала и инерционным выбегом с реакторами ВВЭР. а также новые требования по обеспечению безопасности АЭС позволяют сформулировать ряд направлений дальнейшего совершенствования конструкции ГЦН Направление совершенствования, их перспективность определяются в основном требованиями максимального повышения надежности, и эксплуатационной безопасности АЭС.
Указанные направления нашли свое отражение при разработке насосов ГЦК-1309 и ГЦН-396 для ВВЭР-440 и ГЦНА- 1391 для АЭС с ВВЭР-1000.
Вместе с тем, несмотря на положительный опыт эксплуатации ГЦН-195М и ГЦН-317, установленных на блоках ВВЭР-1000 и ВВЭР-440, Центральное Конструкторское Бюро Машиностроения (ЦКБМ) постоянно занимается вопросами совершенствования конструкции, повышения безопасности и надежности эксплуатации оборудования. Совершенствование насосного оборудования проводится по нескольким направлениям, которые в настоящее время нашли свое отражение в конструкции ГЦНА- 1391, разработанного для реакторной установки В-392 и примененного для строящихся АЭС в Китае и Иране и представленного на рисунке 3.3. В таблице 3.2 представлены его основные параметры.
Конструкция ГЦНА- 1391 явилась продолжением развития конструкции ГЦН-195М. в которую внесены следующие усовершенствования:
|
|
|
1. В отличие от ГЦН-195М, имеющего цельнолитую конструкцию спирального корпуса насоса, корпус насоса ГЦНА- 1391 выполнен виде сферической штампо-сварочной конструкции.
Такое конструктивное решение позволило отказаться от применения литья и связанного с этим большого объема ручных работ по зачистке и устранению дефектов литья, повысило надежность конструкции и существенно усилило ее технологичность.
Работы по совершенствованию конструкции корпуса продолжаются, так для поставки в Китай совместные работы ЦКБМ, Ижорского завода и ЦНИИТМАШа позволили исключить из конструкции центральный сварной шов.
2. Проточная часть насоса выполнена в виде штампо-сварных конструкций
рабочего колеса и направляющего аппарата вместо литого рабочего колеса,
применявшегося на первых серийных насосах ГЦН-195М. Такая конструкция рабочего
колеса уже внедрена и эксплуатируется на ряде насосов ГЦН-195М и позволила
исключить дефекты литых рабочих колес, применение направляющего аппарата
позволит уменьшить радиальные нагрузки на рабочее колесо и увеличит ресурс
подшипников.
3. Изменена конструкция главного и разъема ГЦНА, который в настоящее время
выполняется в виде двух плоских прокладок специальной конструкции, выполненных
из материала «Графлекс». Прокладки устанавливаются в плоскости разъема корпуса
насоса и крышки, что позволяет существенно снизить влияние термических
деформаций на обеспечение герметичности главного разъема. Между прокладками
предусматривается контроль герметичности, что позволит обнаружить протечки
внутренней прокладки, в случае их появления, и. при необходимости, перейти на
работу на внешней прокладке и повысить надежность работы главного разъема.
Конструкция главного разъема обоснована проведенными опытными работами.
4. В части конструкции выемной части насоса ГЦНА- 1391 небольшие изменения
произошли в радиально-осевом подшипнике, который переведен со.смазки маслом на
водяную смазку.
|
|
|
Дело в том. что вследствие протяженных трасс подвода и отвода масляной смазки, проложенных через бокс парогенераторов и герметичные проходки с локализующей арматурой, а также арматуры регулирования подачи масла, установки промежуточной емкости и системы пожаротушения масляная система представляет собой сложную конструкции. Поэтому и было принято решение о применении в системах смазки охлаждения радиально-осевых подшипников, работающих на воде. Такие работы велись в ЦК'БМ с 1982 г. К настоящему времени разработаны, изготовлены и успешно прошли испытания в составе агрегатов ГЦН радиально-осевые подшипники на водяной смазке. Испытания проводили на натурных стендах агрегатов ГЦН. устанавливаемых в составе как энергоблоков ВВЭР-440, так и ВВЭР-1000.
Рис. 3.3-ГЦНА-1391 с механическим уплотнением вала
Таблица 3.2-Основные характеристики насоса ГЦНА- 1391
| Наименование | Единицы измерения | Значения |
| Подача | М3/ч | |
| Напор | М(кгс/см2) | 89,4±3,5 (6,5±0,25) |
| Температура теплоносителя | °С | 290-300 |
| Давление на входе | МПа (кгс/см2) | 15,3 (156) |
| Мощность насосного агрегата | ||
| - на горячей воде | кВт | |
| - на холодной воде | кВт | |
| Напряжение сети | В | |
| Частота сети | Гц | |
| Момент инерции(СD2) | т·м2 | 7,6 |
| Частота вращения (синхронная) | Об/мин |
Таблица 3.2 (продолжение)
| Наименование | Единицы измерения | Значения |
| Масса (масса электродвигателя) | т | 120 (41,7) |
| Габаритные размеры: | ||
| -высота | мм | |
| -в плане | мм | |
| Расход охлаждающей воды: | ||
| -промконтура | м3 | |
| -тех. вода | м3 | |
| в том числе: | ||
| -электродвигателя | м3 | |
| -маслоохладителя | М3 | |
| Материалы | ||
| осевого подшипника и рабочего блока уплотнений | Силицированный графит | |
| радиального подшипника | Графито-фторопласт по стали | |
| Срок службы | лет | |
| Работа без технического обслуживания | час |
При работе осевого подшипника на масляной смазке в паре трения во время работы сохраняется гидродинамический режим работы, при этом, например, для агрегата ГЦП-195М минимальный зазор между рабочими колодками- и упорным диском составляет 0,05 мм. Выравнивающая система подшипника типа "Кингсбери" позволяет отслеживать торцевой бой упорного диска и перекосы не вращающихся поверхностей подшипника. В паре трения осевого подшипника применен классический вариант пары трения, работающей на масле: баббит Б83 по стали. Многолетний опыт эксплуатации ГЦН-195М показывает, что при хороших смазывающих свойствах масла пары трения не изнашиваются.
|
|
|
При переходе на воду в качестве смазочно-охлаждаюшей жидкости минимальный расчетный зазор в гидродинамическом клине уменьшается в 10 раз. Учитывая допуски на изготовление, фактическую шероховатость рабочих поверхностей, а также деформации контактирующих поверхностей, можно сделать вывод, что пара трения работает в непосредственном контакте в полужидкостном режиме трения.
Учитывая изложенное, необходимо было подобрать надежно работающую пару трения в непосредственном контакте с параметром нагрузки РУ до 1600 - 1800, где: Р - удельное давление в паре трения, кгс/см2; V- окружная скорость в паре трения, м/с.
На основании проведенных исследований был выбран материал пары трения с указанным параметром нагрузки PV – силицированый графит марки СГ- П05 ТУ48-20-81-76, работающий в качестве основной и ответной составляющих пары трения.
Положительный многолетний опыт эксплуатации насосов с блоками уплотнения, имеющими близкие параметры РУ с парой трения в рабочем торце СГ-П05 по СГ-П05 на действующих ВВЭР-440 и 1000, подтвердил высокие триботехнические характеристики этой пары трения. Она и была рекомендована для высоконагруженных осевых подшипников на водяной смазке.
Ввиду того, что осевой подшипник с выравнивающей системой типа "Кингсбери" отслеживает торцевые бои и перекосы в агрегате ГЦН, обеспечивая при этом равномерное прилегание элементов пары трения, которые воспринимают действующее осевое усилие, при проектировании осевого подшипника на водяной смазке общий принцип системы "Кингсбери" был сохранен и представлен на рисунках 5 и 6. На колодках вместо наплавленного баббита Б83 были закреплены секторы из материала СГ-П05. Поверхность трения упорного диска набрана из отдельных секторов силпцированного графита, что обусловлено особыми условиями охлаждения и смазк-ц. а также значительными размерами (наружный диаметр упорного диска достигает 850 мм). Набор поверхности упорного диска из отдельных элементов привел к необходимости выполнить смазочные каналы с отклонением от радиального направления на некоторый угол, позволяющий исключить ударный характер встречи отдельных колодок с набором секторных элементов упорного диска.
|
|
|
Радиальный подшипник узла радиально-осевого подшипника одинаков с нижним подшипником насоса по конструкции и применяемой паре трения. Его работоспособность подтверждена многолетней эксплуатацией в составе серийных насосных агрегатов.
Экспериментальную отработку и доводку радиально-осевого подшипника на водяной смазке проводили на натурном стенде ЦКБМ. предназначенном для испытаний агрегата ГЦН ВВЭР-1000. Всего за время испытаний узел радиально-осевого подшипника отработал около 6000 часов.
Из сравнения состояния рабочих поверхностей подшипника после наработки 5500 часов с состоянием рабочих поверхностей пары трения уплотнений после аналогичных
Рис. 3.4-Общий вид упорного диска осевого подшипника
Рис. 3.3-Общий вид обоймы осевого подшипника
периодов наработки с учетом многолетней работы пары трения СГ-П05 по СГ-ПОГ) в составе блоков уплотнения серийных электронасосных агрегатов следует прогнозировать надежную работу элементов пары трения высоконагруженных осевых подшипников в течение не менее 30 тыс. часов. Это свидетельствует о создании и возможности установки в составе ВВЭР-1000 электронасосных агрегатов на водяной смазке.
5. Изменена конструкция нижней части торсионной муфты насоса, в которой
вместо зубчатого венца, погруженного в масляную ванну, организованную в верхнем
конце вращающегося ритора насоса и заполняемую маслом во время сборки агрегата,
устанавливается гибкая пластинчатая муфта. Хотя мы и имеем положительный опыт
эксплуатации зубчатого венца, однако, необходимость заполнения маслом полости
ротора и его удержания во время работы создает определенные неудобства в
эксплуатации, поэтому и было принято решение по модернизации торсионной муфты.
6. С переходом на ГЦН с уплотнением вала по сравнению с герметичными
насосами резко возросло количество вспомогательных систем, которые обеспечивают
работу насоса. Наряду с традиционными системами автономного контура для
охлаждения и смазки нижнего водяного подшипника и системой охлаждения
добавились система смазки, о которой уже выше упоминалось, и система подачи воды
в блок уплотнения насосного агрегата, конечно, наличие большого количества
вспомогательных систем усложняет конструкцию установки насосного агрегата и
условия ее эксплуатации.
|
|
|
На рисунке 3.5 представлена установка насосного агрегата ГЦНА-1391 применительно к АЭС «Бушер».
Отличительной особенностью конструкции установки насосного агрегата является расположения вспомогательного оборудования на стенках строительной части.
При этом холодильники устанавливаются в верхней части для обеспечения условий охлаждения за счет естественной циркуляции при нахождении насосного агрегата в режиме горячего резерва. Такое решение позволило исключить из схемы охлаждения автономного контура вспомогательный герметичный насос ВЦЭН-310, который включался в режиме стоянки в горячем резерве для прокачки воды автономного контура через холодильник, и тем самым упростить схему автономного контура.
По системе подачи воды в блок уплотнения также проведены изменения. На
действующих блоках АЭС для ВВЭР-1000 и ВВЭР-440 в настоящее время применяется
подача воды в уплотнения насосов специальными центробежными или поршневыми
насосами..!
В ГЦНА-1391 решено отказаться от штатных насосов, а подачу воды в блоки уплотнения осуществлять из системы спецводоочистки высокого давления, которая работает за счет
Рис.3.5- Общий вид установки насосного агрегата ГЦНА-1391 для АЭС “Бушер”
напора самого насосного агрегата. При этом вода на уплотнения отбирается после холодильников системы СВО. Данное решение разработано совместно с ЦКБМ и Московским и Санкт-Петербургским Атомэнэнергопроектом ц позволяет ликвидировать зависимость работы блока уплотнений от работы подпитывающих насосов и обеспечить автономность насосных агрегатов.
7. Насосный агрегат ГЦНА-1391 создавался для условий работы в сейсмически
активных районах, для чего в нем проведено усиление разъемов между сопряженными
опорными подставками, а также разъема, на который опирается электродвигатель.
Агрегат для обеспечения работы при сейсмических воздействиях имеет два пояса
раскрепления: один - на корпусе насоса, другой - на электродвигателе для
подсоединения гидроамортизаторов.
8. В отличие от электродвигателей, находящихся в эксплуатации,
электродвигатели, предназначенные для АЭС в Китае и Иране, выполняются со
смазкой огнестойким маслом ОМТИ. что значительно повышает пожаробезопасность.
При этом индивидуальная система смазки монтируется прямо на агрегате, что сводит к
минимуму протяженность маслопроводов.
3.5 Гидравлический расчёт проточной части центробежного насоса
3.5.1 Определение основных параметров
Исходные данные для расчёта: Q, H, n, r, s, dлоп., dупл., где Q – объёмный расход через проточную часть рабочего колеса, м3/час, Н – напор насоса, м, n – число оборотов, об/мин., r - плотность теплоносителя, кг/м3, s - допустимое напряжение сжатия, кГ/см2, dлоп. – толщина лопатки, мм, dупл. - зазор в уплотнении, мм [1].
Показатель (коэффициент) быстроходности
= 
Угловая скорость
, [1/сек]
Приведенный диаметр рабочего колеса
, [м]
Гидравлический КПД насоса
, где D1np в мм.
Теоретический напор
, [м]
Объёмный КПД насоса
e 
Реальная подача
, [м3/сек]
Допустимая скорость теплоносителя в выходном сечении рабочего колеса, в первом приближении
, [м/сек]
Общий КПД насоса
, принимаем hмех = 0.96
Мощность, необходимая для перекачки теплоносителя
, [кВт]
с учётом перегрузки Nmax = 1.1 N, [кВт]
Определение диаметра вала и втулки
Диаметр вала насоса
, [см]
где М = 97500 ×N/n; sкр = 150 кГ/см2; N, [кВт]; n, [об/мин]; dв/100 [см].
Диаметр втулки
, [м]
3.5.2 Определение размеров входа в колесо
Диаметр входа в рабочее колесо
, [м]
Окружная скорость входной кромки рабочей лопатки
, [м/сек], где D1 = 0.8×D0
Конечное значение
, [м/сек]
Принимаем 
.
Меридианная составляющая скорости на входном радиусе
где К1 – коэффициент стеснения на входе, К1» 1.15.
Угол безударного входа
,
(b1,0 = b1 - d; b = 20 ¸ 25°; d = 3 ¸ 8°).
После подстановки получаем 
Ширина канала на входе
, [м]
3.5.3 Определение размеров выхода из колеса
Коэффициент окружной скорости на выходе из колеса
В первом приближении можно принять 
.
Окружная скорость на внешнем диаметре колеса
, [м/сек]
Внешний диаметр рабочего колеса
, [м]
Коэффициент стеснения на выходе из рабочего колеса
K2 = 1.05 ¸ 1.1
Меридианная составляющая абсолютной скорости на выходе из рабочего колеса
0.5 C0 £ Cm2’ £ C0
Принимаем Cm2’ = 0.8 C0
Угол выхода определяем из зависимости
; b1 = 20 ¸ 25°
после подстановки получаем 
Принимаем
w1/w2 = 1
Число рабочих лопаток
Теоретический напор при z = ¥
, [м]
где 
; 
Окружная скорость (во втором приближении)
, [м/сек]
где 
Диаметр выхода
, [м]
Ширина канала на выходе
, [м]
Коэффициент стеснения на выходе (проверка)
Сравнивая значения К2 и К2’, получаем 1,08 
1, они не совпадают тогда проведя несколько итераций получим:
| Z | D2(м) | b2(м) |
| 17.44 | 1.12 | 0.212 |
Коэффициент стеснения на входе (проверка)
Сравнивая значения К1 и К1’, получаем, что 1,15 0,999 тогда проведя несколько итераций получим:
| b1(м) | D1(м) | Сm1 | K1 |
| 0.244 | 0,7 | 11.766 | 1.326 |
Уточняем
, [м/сек];
, [м/сек]
Сравниваем 
. Получаем 
, тогда повторяем расчет с п.26 и получаем:
W1=37.43 (m/c)
W2=37.25 (m/c)
3.5.4 Расчет протечек через уплотнение рабочего колеса
, [м3/сек]
где m - коэффициент расхода; Ri – радиус колеса в месте уплотнения; bi – радиальный зазор в уплотнении; 
- напор, теряемый в уплотнении.
; 
, [м]
, [м]; 
где bi = bупл.; l - коэффициент сопротивления трения (l = 0.04 ¸ 0.06).
Протечки через лабиринтные уплотнения
, [м3/сек]
где 
, [м]; 
, [м2]
,
где возможно RЛ» Ri, bЛ» bi.
Суммарные протечки через уплотнения в рабочем колесе
, [м3/сек]
Объёмный КПД (проверка)
Сравниваем hоб’ и hоб, если они не совпадают, то присваиваем hоб’:= hоб и расчёт повторяем, начиная с пункта 8.
Выводим на печать
D1,D2,b1,b2,b1,0,b1,b2,z,w1,w2,u,u2, 
, 
,K1,K2,QT,HT,ns,hоб,hг,h,С0,dв,dвт,d0,Rупл.,w,QS,H¥,DH,N
3.5.5 Расчет профеля лопатки
Шаг разбития
, где 
Средняя ширина канала
Средняя скорость по длине канала
Величина
,
Ширина канала в (i+1)-ой точке
или 
Подставляя ранее найденные величины получим:
| b1 | b2 | b3 | b4 | b5 | b6 | b7 | b8 | b9 | b10 |
| 0.237 | 0.232 | 0.227 | 0.222 | 0.217 | 0.212 | 0.207 | 0.202 | 0.197 | 0.191 |
Скорость потока (уноса) в (i+1)-ой точке
или 
Подставляя ранее найденные величины получим:
| W1 | W2 | W3 | W4 | W5 | W6 | W7 | W8 | W9 | W10 |
| 37.432 | 37.432 | 37.432 | 37.432 | 37.432 | 37.431 | 37.431 | 37.431 | 37.431 | 37.431 |
Скорость 
в i-ой точке (меридианная составляющая относительной скорости)
Параметр t в i-ой точке
Угол bi в i-ой точке
где di – толщина лопатки в i – ой точке.
Величина Вi в i-ой точке
Выведем результаты в виде таблице 3.3.
Таблица 3.3- Результаты расчетов
| Wmi | 15.148 | 15.140 | 15.133 | 15.126 | 15.118 | 15.111 | 15.103 | 15.096 | 15.089 | 15.081 |
| ti | 0.217 | 0.222 | 0.228 | 0.234 | 0.239 | 0.245 | 0.250 | 0.256 | 0.261 | 0.267 |
| 0.298 | 0.296 | 0.295 | 0.293 | 0.292 | 0.291 | 0.289 | 0.288 | 0.287 | 0.286 |
| Bi | 4.206 | 4.119 | 4.035 | 3.954 | 3.876 | 3.801 | 3.729 | 3.659 | 3.591 | 3.526 |
Радиус рабочего колеса в (i+1)-ой точке
, или 
Угол q в i-ой точке
; 
Результат выведем в виде таблицы 3.4.
Таблица 3.4- Результаты расчетов
| Ri | 0.449 | 0.460 | 0.472 | 0.483 | 0.495 | 0.506 | 0.518 | 0.529 | 0.541 | 0.552 |
| 2.804 | 5.550 | 8.239 | 10.873 | 13.455 | 15.987 | 18.470 | 20.907 | 23.297 | 25.644 |
Печать Ri,bi,qi,wi.
3.5.6 Расчет профиля винтового отвода
Начальный радиус отвода
Начальная ширина отвода
Постоянная величина
Радиус отвода в i-ой точке
Ширина отвода в i-ой точке
Величина Bi в i-ой точке
Расходы DQi в i-ой точке
Расход
Результат показан ниже.
Результаты гидравлического расчёта проточной части центробежного насоса
Исходные данные для проведения расчёта приведены в таблице 3.5.
Таблица 3.5- Исходные расчётные данные
| Название параметра | Обозначение | Значение | Размерность |
| Объёмный расход насоса | Q | м3/час | |
| Напор насоса | Н | м | |
| Число оборотов | n | мин-1 |
Таблица 3.5 (продолжение)
| Температура теплоносителя | tтн | °С | |
| Плотность теплоносителя | r | кг/м3 | |
| Допустимое напряжение сжатия | s | кГ/см2 | |
| Толщина лопатки | d | мм | |
| Зазор в уплотнении | dупл. | 1,2 | мм |
Результаты расчёта отражены в таблице 3.6.
Таблица 3.6- Результаты расчёта
| Название параметра | Обозначение | Значение |
| Коэффициент быстроходности | ns | 316.75 |
| Угловая скорость, с-1 | w | 104,72 |
| Гидравлический КПД насоса | hг | 0.961 |
| Теоретический напор | НТ | 86.35 |
| Диаметр кромки рабочей лопатки, м | D1 | 0,7 |
| Наружный диаметр рабочего колеса, м | D2 | 1,102 |
| Ширина канала на входе, м | b1 | 0.243 |
| Ширина канала на выходе, м | b2 | 0.191 |
| Угол безударного входа | b1,0 | 17.88 |
| Угол входа | b1 | 23.0 |
| Угол выхода | b2 | 17.44 |
| Число рабочих лопаток | Z | |
| Относительная скорость на входе, м/с | w1 | 37.43 |
| Относительная скорость на выходе, м/с | w2 | 37.25 |
| Окружная скорость входной кромки лопатки, м/с | u1 | 36.53 |
| Окружная скорость на внешнем диаметре колеса, м/с | u2 | 57.84 |
| Медианная составляющая на входном радиусе, м/с | Cm1 | 11.79 |
| Медианная составляющая абсолютной скорости на выходе, м/с | Cm2 | 12.63 |
| Коэффициент стеснения на входе | K1 | 1.414 |
| Коэффициент стеснения на выходе | K2 | 1.326 |
Таблица 3.6 (продолжение)
| Теоретическая подача, м3/сек | QT | 5.778 |
| Объемный КПД | hоб | 0.986 |
| Суммарный КПД | h | 0.909 |
| Допустимая скорость теплоносителя, м/с | С0 | 10.71 |
| Диаметр вала насоса, см | dв | 23.15 |
| Название параметра | Обозначение | Значение |
| Диаметр втулки рабочего колеса, см | dвт | 28.94 |
| Диаметр входа в рабочее колесо, м | D0 | 0.872 |
| Радиус колеса в месте уплотнения, м | Rупл. | 0.269 |
| Суммарные протечки через уплотнения в рабочем колесе, м3/с | QS | 0.071 |
| Теоретический напор при z = ¥ | H¥ | 108.63 |
| Напор, теряемый в уплотнениях, м | Qsi | 34.05 |
| Напор в лабиринтных уплотнениях, м | Qsл | 38.69 |
| Мощность насоса, кВт | N | 3795.0 |
Таблица 3.7- Результаты расчёта профиля винтового отвод
| R[i], м | 0.580 | 0.671 | 0.762 | 0.863 | 0.944 | 1.035 | 1.126 |
| b[i], м | 0.247 | 0.293 | 0.339 | 0.385 | 0.431 | 0.477 | 0.523 |
| Q[i], м3/с | 0.160 | 0.323 | 0.330 | 0.336 | 0.340 | 0.344 | 0.347 |
Таблица 3.7 (продолжение)
| R[i], м | b[i], м | Q[i], м3/с | R[i], м | b[i], м | Q[i], м3/с |
| 1.217 | 0.569 | 0.350 | 1.763 | 0.845 | 0.359 |
| 1.308 | 0.615 | 0.352 | 1.854 | 0.891 | 0.360 |
| 1.399 | 0.661 | 0.354 | 1.945 | 0.937 | 0.361 |
| 1.490 | 0.707 | 0.355 | 2.036 | 0.983 | 0.362 |
| 1.581 | 0.753 | 0.357 | |||
| 1.672 | 0.799 | 0.358 |
R3=0.536 (м); b3=0.263 (м); Qn=5.747 (м3/час).
|
|
|
